SpringBoot Redis分布式锁的正确实现方式

2024年 1月 24日 76.6k 0

在说分布式锁之前,我们先说下为什么需要分布式锁。

在单机部署的时候,我们可以使用Java中提供的JUC锁机制避免多线程同时操作一个共享变量产生的安全问题。JUC 锁机制只能保证同一个 JVM 进程中的同一时刻只有一个线程操作共享资源。

一个应用部署多个节点,多个进程如果要修改同一个共享资源,为了避免操作乱序导致的并发安全问题,这个时候就需要引入分布式锁,分布式锁就是用来控制同一时刻,只有一个 JVM 进程中的一个线程可以访问被保护的资源。

分布式锁很重要,然而很多公司的系统可能还在跑着有缺陷的分布式锁方案,其中不乏一些大型公司。

所以,不念今天分享一个正确 Redis 分布式锁代码实战,让你一飞冲天,该代码可直接用于生产,不是简单的 demo。

图片[1]-SpringBoot Redis分布式锁的正确实现方式-不念博客

温馨提示:如果你只想看代码实战部分,可直接翻到 SpringBoot 实战章节。

错误的分布式锁

说正确方案之前,先来一个错误的,知道错在哪,才能意识到如何写正确。

在银行工作的小白老师,使用 Redis SET 指令实现加锁, 指令满足了当 key 不存在则设置 value,同时设置超时时间,并且满足原子语意。

SET lockKey 1 NX PX expireTime
  • lockKey 表示锁的资源,value 设置成 1。
  • NX:表示只有 lockKey 不存在的时候才能 SET 成功,从而保证只有一个客户端可以获得锁。
  • PX expireTime设置锁的超时时间,单位是毫秒;也可以使用 EX seconds以秒为单位设置超时时间。

至于解锁操作,小白老师果决的使用 DEL指令删除。一个分布式锁方案出来了,一气呵成,组员不明觉厉,纷纷竖起大拇指,伪代码如下。

//加锁成功
if(jedis.set(lockKey, 1, "NX", "EX", 10) == 1){
  try {
      do work //执行业务

  } finally {
    //释放锁
     jedis.del(key);
  }
}

然而,这是一个错误的分布式锁。问题在于解锁的操作有可能出现释放别人的锁的情况。

有可能出现释放别人的锁的情况。

  • 客户端 A 获取锁成功,设置超时时间 10 秒。
  • 客户端 A 执行业务逻辑,但是因为某些原因(网络问题、FullGC、代码垃圾性能差)执行很慢,时间超过 10 秒,锁因为超时自动释放了。
  • 客户端 B 加锁成功。
  • 客户端 A 执行 DEL 释放锁,相当于把客户端 B 的锁释放了。
  • 原因很简单:客户端加锁时,没有设置一个唯一标识。释放锁的逻辑并不会检查这把锁的归属,直接删除。

    残血版分布式锁

    小白老师:“不念,怎么解决释放别人的锁的情况呢?”

    解决方法:客户端加锁时设置一个“唯一标识”,可以让 value 存储客户端的唯一标识,比如随机数、 UUID 等;释放锁时判断锁的唯一标识与客户端的标识是否匹配,匹配才能删除。

    加锁

    SET lockKey randomValue NX PX 3000

    解锁

    删除锁的时候判断唯一标识是否匹配伪代码如下。

    if (jedis.get(lockKey).equals(randomValue)) {
        jedis.del(lockKey);
    }

    加锁、解锁的伪代码如下所示。

    try (Jedis jedis = pool.getResource()) {
      //加锁成功
      if(jedis.set(lockKey, randomValue, "NX", "PX", 3000) == 1){
        do work //执行业务
      }
    } finally {
      //判断是不是当前线程加的锁,是才释放
      if (randomValue.equals(jedis.get(keylockKey {
         jedis.del(lockKey); //释放锁
      }
    }

    到这里,很多公司可能都是使用这个方式来实现分布式锁。

    小白:“不念,还有问题。判断锁的唯一标识是否与当前客户端匹配和删除操作不是原子操作。”

    聪明。这个方案还存在原子性问题,存在其他客户端把锁给释放的问题。

  • 客户端 A 执行唯一标识匹配成功,还来不及执行DEL释放锁操作,锁过期被释放。
  • 客户端 B 获取锁成功,value 设置了自己的客户端唯一标识。
  • 客户端 A 继续执行 DEL删除锁操作,相当于把客户端 B 的锁给删了。
  • 青铜版分布式锁

    虽然叫青铜版,这也是我们最常用的分布式锁方案之一了,这个版本没有太大的硬伤,并且比较简单。

    小白老师:“不念,这如何是好,如何解决解锁不是原子操作的问题?分布式锁这么多门道,是我肤浅了。”

    解决方案很简单,解锁的逻辑我们可以通过 Lua 脚本来实现判断和删除的过程。

    • KEYS[1]是 lockKey。
    • ARGV[1] 表示客户端的唯一标识 requestId。

    返回 nil 表示锁不存在,已经被删除了。只有返回值是 1 才表示加锁成功。

    // key 不存在,返回 null
    if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then
       return nil;
    end;
    // 获取 KEY[1] 中的 value 与 ARGV[1] 匹配,匹配则 del,返回 1。不匹配 return 0 解锁失败
    if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
        return redis.call("del",KEYS[1]);
    else
        return 0;
    end;

    使用上面的脚本,每个锁都用一个随机值作为唯一标识,当删除锁的客户端的“唯一标识”与锁的 value 匹配的时候,才能执行删除操作。这个方案已经相对完美,我们用的最多的可能就是这个方案了。

    理论知识学完了,上实战。

    Spring Boot 环境准备

    接下来不念,给你一个基于 Spring Boot 并且能用于生产实战的代码。

    在上实战代码之前,先把 Spring Boot 集成 Redis 的环境搞定。

    添加依赖

    代码基于 Spring Boot 2.7.18 ,使用 lettuce 客户端来操作 Redis。添加 spring-boot-starter-data-redis依赖。

    <dependencyManagement>
        <dependencies>
            <dependency>
                <!-- Import dependency management from Spring Boot -->
                <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                <artifactId>spring-boot-dependencies</artifactId>
                <version>2.7.18</version>
                <type>pom</type>
                <scope>import</scope>
            </dependency>
            <dependency>
                <groupId>org.projectlombok</groupId>
                <artifactId>lombok</artifactId>
                <version>1.18.28</version>
                <optional>true</optional>
            </dependency>
        </dependencies>
    </dependencyManagement>
    
    <dependencies>
        <!--redis依赖-->
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
        </dependency>
    
        <!--Jackson依赖-->
        <dependency>
            <groupId>com.fasterxml.jackson.core</groupId>
            <artifactId>jackson-databind</artifactId>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.projectlombok</groupId>
            <artifactId>lombok</artifactId>
            <optional>true</optional>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
            <scope>test</scope>
        </dependency>
    </dependencies>

    SpringBoot 配置

    先配置 yaml。

    server:
      servlet:
        context-path: /redis
      port: 9011
    spring:
      application:
        name: redis
      redis:
        host: 127.0.0.1
        port: 6379
        password: magebyte
        timeout: 6000
        client-type: lettuce
        lettuce:
          pool:
            max-active: 300
            max-idle: 100
            max-wait: 1000ms
            min-idle: 5

    RedisTemplate 默认序列化方式不具备可读性,我们改下配置,使用 JSON 序列化。

    注意了,这一步是附加操作,与分布式锁没有关系,是不念顺带给你的彩蛋。

    @Configuration
    public class RedisConfig {
    
        @Bean
        public RedisTemplate<String, Object> redisTemplate(RedisConnectionFactory connectionFactory) {
            RedisTemplate<String, Object> redisTemplate = new RedisTemplate<String, Object>();
            redisTemplate.setConnectionFactory(connectionFactory);
    
            StringRedisSerializer stringRedisSerializer = new StringRedisSerializer();
    
            redisTemplate.setKeySerializer(stringRedisSerializer); // key的序列化类型
    
            Jackson2JsonRedisSerializer jackson2JsonRedisSerializer = new Jackson2JsonRedisSerializer(Object.class);
            ObjectMapper objectMapper = new ObjectMapper();
            objectMapper.setVisibility(PropertyAccessor.ALL, JsonAutoDetect.Visibility.ANY);
            // 方法过期,改为下面代码
    //        objectMapper.enableDefaultTyping(ObjectMapper.DefaultTyping.NON_FINAL);
            objectMapper.activateDefaultTyping(LaissezFaireSubTypeValidator.instance,
                    ObjectMapper.DefaultTyping.NON_FINAL, JsonTypeInfo.As.PROPERTY);
            jackson2JsonRedisSerializer.setObjectMapper(objectMapper);
            jackson2JsonRedisSerializer.setObjectMapper(objectMapper);
    
            redisTemplate.setValueSerializer(jackson2JsonRedisSerializer); // value的序列化类型
            redisTemplate.setHashKeySerializer(stringRedisSerializer);
            redisTemplate.setHashValueSerializer(jackson2JsonRedisSerializer);
            redisTemplate.afterPropertiesSet();
            return redisTemplate;
        }
    }

    把分布式锁接口定义出来,所谓面向接口和对象编程,代码如有神。顺带用英文显摆下什么叫做专业。

    /**
     * 分布式锁
     */
    public interface Lock {
    
        /**
         * Tries to acquire the lock with defined <code>leaseTime</code>.
         * Waits up to defined <code>waitTime</code> if necessary until the lock became available.
         * <p>
         * Lock will be released automatically after defined <code>leaseTime</code> interval.
         *
         * @param waitTime  the maximum time to acquire the lock
         * @param leaseTime lease time
         * @param unit      time unit
         * @return <code>true</code> if lock is successfully acquired,
         * otherwise <code>false</code> if lock is already set.
         * @throws InterruptedException - if the thread is interrupted
         */
        boolean tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    
        /**
         * Acquires the lock with defined <code>leaseTime</code>.
         * Waits if necessary until lock became available.
         * <p>
         * Lock will be released automatically after defined <code>leaseTime</code> interval.
         *
         * @param leaseTime the maximum time to hold the lock after it's acquisition,
         *                  if it hasn't already been released by invoking <code>unlock</code>.
         *                  If leaseTime is -1, hold the lock until explicitly unlocked.
         * @param unit      the time unit
         */
        void lock(long leaseTime, TimeUnit unit);
    
        /**
         * Releases the lock.
         *
         * <p><b>Implementation Considerations</b>
         *
         * <p>A {@code Lock} implementation will usually impose
         * restrictions on which thread can release a lock (typically only the
         * holder of the lock can release it) and may throw
         * an (unchecked) exception if the restriction is violated.
         * Any restrictions and the exception
         * type must be documented by that {@code Lock} implementation.
         */
        void unlock();
    }

    青铜分布式锁实战

    DistributedLock 实现 Lock 接口,构造方法实现 resourceName 和 StringRedisTemplate 的属性设置。

    客户端唯一标识使用uuid:threadId 组成。

    DistributedLock

    public class DistributedLock implements Lock {
    
        /**
         * 标识 id
         */
        private final String id = UUID.randomUUID().toString();
    
        /**
         * 资源名称
         */
        private final String resourceName;
    
        private final List<String> keys = new ArrayList<>(1);
    
    
        /**
         * redis 客户端
         */
        private final StringRedisTemplate redisTemplate;
    
        public DistributedLock(String resourceName, StringRedisTemplate redisTemplate) {
            this.resourceName = resourceName;
            this.redisTemplate = redisTemplate;
            keys.add(resourceName);
        }
    
        private String getRequestId(long threadId) {
            return id + ":" + threadId;
        }
    }

    加锁 tryLock、lock

    tryLock 以阻塞等待 waitTime 时间的方式来尝试获取锁。获取成功则返回 true,反之 false。tryAcquire 方法相当于执行了 Redis 的SET resourceName uuid:threadID NX PX {leaseTime} 指令。

    与 tryLock不同的是, lock 一直尝试自旋阻塞等待获取分布式锁,直到获取成功为止。而 tryLock 只会阻塞等待 waitTime 时间。

    此外,为了让程序更加健壮,不念实现了阻塞等待获取分布式锁,让你用的更加开心,面试不慌加薪不难。如果你不需要自旋阻塞等待获取锁,那把 while 代码块删除即可。

    @Override
    public boolean tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        long time = unit.toMillis(waitTime);
        long current = System.currentTimeMillis();
        long threadId = Thread.currentThread().getId();
        // 获取锁
        Boolean isAcquire = tryAcquire(leaseTime, unit, threadId);
        // lock acquired
        if (Boolean.TRUE.equals(isAcquire)) {
            return true;
        }
    
        time -= System.currentTimeMillis() - current;
        // 等待时间用完,获取锁失败
        if (time <= 0) {
            return false;
        }
        // 自旋获取锁
        while (true) {
            long currentTime = System.currentTimeMillis();
            isAcquire = tryAcquire(leaseTime, unit, threadId);
            // lock acquired
            if (Boolean.TRUE.equals(isAcquire)) {
                return true;
            }
    
            time -= System.currentTimeMillis() - currentTime;
            if (time <= 0) {
                return false;
            }
        }
    }
    
    @Override
    public void lock(long leaseTime, TimeUnit unit) {
        long threadId = Thread.currentThread().getId();
        Boolean acquired;
        do {
            acquired = tryAcquire(leaseTime, unit, threadId);
        } while (Boolean.TRUE.equals(acquired));
    }
    
    private Boolean tryAcquire(long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId) {
        return redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(resourceName, getRequestId(threadId), leaseTime, unit);
    }

    解锁unlock

    解锁的逻辑是通过执行 lua 脚本实现。

    @Override
    public void unlock() {
        long threadId = Thread.currentThread().getId();
    
        // 执行 lua 脚本
        DefaultRedisScript<Long> redisScript = new DefaultRedisScript<>(LuaScript.unlockScript(), Long.class);
        Long opStatus = redisTemplate.execute(redisScript, keys, getRequestId(threadId));
    
        if (opStatus == null) {
            throw new IllegalMonitorStateException("attempt to unlock lock, not locked by current thread by node id: "
                    + id + " thread-id: " + threadId);
        }
    
    
    }

    LuaScript

    其实这个脚本就是在讲解青铜板分布式锁原理的那段代码,具体逻辑已经解释过,这里就不再重复分析。

    public class LuaScript {
    
        private LuaScript() {
    
        }
    
        /**
         * 分布式锁解锁脚本
         *
         * @return 当且仅当返回 `1`才表示加锁成功.
         */
        public static String unlockScript() {
            return "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then " +
                    "return nil;" +
                    "end; "+
                    "if redis.call('get',KEYS[1]) == ARGV[1] then" +
                    "   return redis.call('del',KEYS[1]);" +
                    "else" +
                    "   return 0;" +
                    "end;";
        }
    }

    RedisLockClient

    最后,还需要提供一个客户端给方便使用。

    @Component
    public class RedisLockClient {
    
        @Autowired
        private StringRedisTemplate redisTemplate;
    
    
        public Lock getLock(String name) {
            return new DistributedLock(name, redisTemplate);
        }
    
    }

    单元测试来一个。

    @Slf4j
    @SpringBootTest(classes = RedisApplication.class)
    public class RedisLockTest {
    
        @Autowired
        private RedisLockClient redisLockClient;
    
    
        @Test
        public void testLockSuccess() throws InterruptedException {
            Lock lock = redisLockClient.getLock("order:pay");
            try {
                boolean isLock = lock.tryLock(10, 30, TimeUnit.SECONDS);
                if (!isLock) {
                    log.warn("加锁失败");
                    return;
                }
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                log.info("业务逻辑执行完成");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
    
        }
    
    }

    有两个点需要注意。

  • 释放锁的代码一定要放在 finally{} 块中。否则一旦执行业务逻辑过程中抛出异常,程序就无法执行释放锁的流程。只能干等着锁超时释放。
  • 加锁的代码应该写在 try {} 代码中,放在 try 外面的话,如果执行加锁异常(客户端网络连接超时),但是实际指令已经发送到服务端并执行,就会导致没有机会执行解锁的代码。
  • 小白:“不念,这个方案你管它叫青铜级别而已,这么说还有王者、超神版?我们公司还用错误版分布式锁,难怪有时候出现重复订单,是我肤浅了。”

    赶紧将这个方案替换原来的错误或者残血版的Redis分布式锁吧。

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