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Redis(18) -- Redis实现分布式锁

十四）Redis实现分布式锁

14.1）问题描述

随着业务发展的需要，原单体单机部署的系统被演化成分布式集群系统后，由于分布式系统多线程、多进程并且分布在不同机器上，这将使原单机部署情况下的并发控制锁策略失效，单纯的Java API并不能提供分布式锁的能力。

为了解决这个问题就需要一种跨JVM的互斥机制来控制共享资源的访问，这就是分布式锁要解决的问题，分布式锁主流的实现方案：

  1. 基于数据库实现分布式锁

  2. 基于缓存（Redis等）

  3. 基于Zookeeper

每一种分布式锁解决方案都有各自的优缺点：

  1. 性能：redis最高

  2. 可靠性：zookeeper最高

下面基于redis实现分布式锁。

14.2）使用redis实现分布式锁

redis:命令

set sku:1:info “OK” NX PX 10000

EX second ：设置键的过期时间为 second 秒， SET key value EX second 效果等同于 SETEX key second value ； PX millisecond ：设置键的过期时间为 millisecond 毫秒。 SET key value PX millisecond 效果等同于 PSETEX key millisecond value；

NX ：只在键不存在时，才对键进行设置操作，SET key value NX 效果等同于 SETNX key value 

XX ：只在键已经存在时，才对键进行设置操作。

[root@VM-20-6-centos bin]# redis-cli -p 11079
127.0.0.1:11079> setnx user 10
(integer) 1
127.0.0.1:11079> setnx user 20
(integer) 0

通过 setnx 添加锁，不能再次进行修改，想要再次进行赋值，则删除锁后再次赋值

127.0.0.1:11079> del user
(integer) 1
127.0.0.1:11079> setnx user 20
(integer) 1
127.0.0.1:11079> setnx user 30
(integer) 0

执行锁的过程如下图：

  1. 多个客户端同时获取锁（setnx）；

  2. 获取成功，执行业务逻辑{从db获取数据，放入缓存}，执行完成释放锁（del）；

  3. 其他客户端等待重试

14.3）优化之设置锁的过期时间

设置过期时间有两种方式：

  1. 首先想到通过expire设置过期时间（缺乏原子性：如果在setnx和expire之间出现异常，锁也无法释放）

  2. 在set时指定过期时间（推荐）

为避免锁一直不释放，影响重新赋值，添加锁的过期时间，过期后自动释放：expire user 20-- 设置20秒过期

127.0.0.1:11079> del user
(integer) 1
127.0.0.1:11079> setnx user 20
(integer) 1
127.0.0.1:11079> expire user 20
(integer) 1
127.0.0.1:11079> ttl user
(integer) 17
127.0.0.1:11079> setnx user 30
(integer) 0
127.0.0.1:11079> ttl user
(integer) -2
127.0.0.1:11079> setnx user 30
(integer) 1

为避免在加锁后出现异常，无法添加过期时间的情况，在设置加锁时就设置好过期时间，nx ：加锁；ex 20 -- 设置20秒过期

127.0.0.1:11079> set user 10 nx ex 20
OK
127.0.0.1:11079> ttl user
(integer) 13
127.0.0.1:11079> setnx user 30
(integer) 0
127.0.0.1:11079> ttl user
(integer) -2
127.0.0.1:11079> setnx user 30
(integer) 1

流程图如下：

存在问题：可能会释放其他服务器的锁。

场景：如果业务逻辑的执行时间是7s，执行流程如下：

  1. index1业务逻辑没执行完，3秒后锁被自动释放；

  2. index2获取到锁，执行业务逻辑，3秒后锁被自动释放；

  3. index3获取到锁，执行业务逻辑；

  4. index1业务逻辑执行完成，开始调用del释放锁，这时释放的是index3的锁，导致index3的业务只执行1s就被别人释放，最终等于没锁的情况。

讲解如下图：【就是a手动释放了b的锁】

 解决方案：setnx获取锁时，设置一个指定的唯一值（例如：uuid）；释放前获取这个值，判断是否自己的锁

14.4）优化之UUID防误删

流程如下图：

 添加锁时使用UUID表示不同的操作；

释放锁时，判断当前UUID和要释放锁的UUID是否一致，一致才可以释放锁

14.5）使用代码实现分布式锁

在上述 RedisTestController.java 中添加测试方法：

// Redis 设置分布式锁测试
    @GetMapping("testLock")
    public void testLock(){
        String uuid = UUID.randomUUID().toString();
        //1获取锁，setne，设置锁过期时间为3秒，添加UUID作为当前锁的标识
        Boolean lock = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock", uuid,3, TimeUnit.SECONDS);
        //2获取锁成功、查询num的值
        if(lock){
            Object value = redisTemplate.opsForValue().get("num");
            //2.1判断num为空return
            if(StringUtils.isEmpty(value)){
                return;
            }
            //2.2有值就转成成int
            int num = Integer.parseInt(value+"");
            //2.3把redis的num加1
            redisTemplate.opsForValue().set("num", ++num);
            //2.4释放锁，del
            //释放锁时判断比较uuid值是否一样，一样才释放锁
            String lockUuid = (String)redisTemplate.opsForValue().get("lock");
            if(lockUuid.equals(uuid)) {
                redisTemplate.delete("lock");
            }
        }else{
            //3获取锁失败、每隔0.1秒再获取
            try {
                Thread.sleep(100);
                testLock();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    // 浏览器访问：http://127.0.0.1:8080/redisTest/testLock

使用 ab 并发测试，有多少个并发量就输出多少值，设置并发为1000：

重启，服务集群，通过网关压力测试：ab -n 1000 -c 100 http://127.0.0.1:8080/test/testLock

127.0.0.1:11079> keys *
1) "num"
127.0.0.1:11079> get num
"0"
127.0.0.1:11079> get num
"1000"

存在问题：删除操作缺乏原子性

场景：

  1. index1执行删除时，查询到的lock值确实和uuid相等

    uuid=v1
set(lock,uuid)
if(uuid.equals((String)redisTemplate.opsForValue().get("lock")));

  2. index1执行删除前，lock刚好过期时间已到，被redis自动释放，在redis中没有了lock，没有了锁；

  3. index2获取了lock，index2线程获取到了cpu的资源，开始执行方法

    uuid=v2
set(lock,uuid)；

  4. index1执行删除，此时会把index2的lock删除，index1 因为已经在方法中了，所以不需要重新上锁。index1有执行的权限。index1已经比较完成了，这个时候，开始执行

    this.redisTemplate.delete("lock")

删除的index2的锁！

过程如下：

 问题总结：【没有保证删除锁操作的原子性】

正确流程：

1）a：上锁 —> 操作 —> 释放锁 —> 删除操作

2）a执行完成后，b再执行上述流程

当前流程：

1）a：上锁 —> 操作 —> 释放锁 (刚开始执行，未完成)

2）进入到 b：上锁—> 操作

3）a：释放锁 (执行完成，但此时释放的不是a锁，而是b锁)

14.6）优化之LUA脚本保证删除的原子性

在上述 RedisTestController.java 中添加测试方法：

    // Redis 设置分布式锁添加LUA脚本保证删除的原子性
    @GetMapping("testLockLua")
    public void testLockLua() {
        //1 声明一个uuid ,将做为一个value 放入我们的key所对应的值中
        String uuid = UUID.randomUUID().toString();
        //2 定义一个锁：lua 脚本可以使用同一把锁，来实现删除！
        String skuId = "25"; // 访问skuId 为25号的商品 100008348542
        String locKey = "lock:" + skuId; // 锁住的是每个商品的数据
        // 3 获取锁
        Boolean lock = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(locKey, uuid, 3, TimeUnit.SECONDS);
        // 第一种： lock 与过期时间中间不写任何的代码。
        // redisTemplate.expire("lock",10, TimeUnit.SECONDS);//设置过期时间
        // 如果true
        if (lock) {
            // 执行的业务逻辑开始
            // 获取缓存中的num 数据
            Object value = redisTemplate.opsForValue().get("num");
            // 如果是空直接返回
            if (StringUtils.isEmpty(value)) {
                return;
            }
            // 不是空 如果说在这出现了异常！ 那么delete 就删除失败！ 也就是说锁永远存在！
            int num = Integer.parseInt(value + "");
            // 使num 每次+1 放入缓存
            redisTemplate.opsForValue().set("num", String.valueOf(++num));
            /*使用lua脚本来锁*/
            // 定义lua 脚本 ，判断KEY和UUID是否一样，一样则调用删除方法，不一样则返回0
            String script = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
            // 使用redis执行lua执行
            DefaultRedisScript<Long> redisScript = new DefaultRedisScript<>();
            redisScript.setScriptText(script);
            // 设置一下返回值类型 为Long
            // 因为删除判断的时候，返回的0,给其封装为数据类型。如果不封装那么默认返回String 类型，
            // 那么返回字符串与0 会有发生错误。
            redisScript.setResultType(Long.class);
            // 第一个要是script 脚本 ，第二个需要判断的key，第三个就是key所对应的值。
            redisTemplate.execute(redisScript, Arrays.asList(locKey), uuid);
        } else {
            // 其他线程等待
            try {
                // 睡眠
                Thread.sleep(1000);
                // 睡醒了之后，调用方法。
                testLockLua();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

说明：

14.7）总结

14.7.1）加锁

// 1. 从redis中获取锁,set k1 v1 px 20000 nx
String uuid = UUID.randomUUID().toString();
Boolean lock = this.redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock", uuid, 2, TimeUnit.SECONDS);

14.7.2）使用lua释放锁

// 2. 释放锁 del
String script = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
// 设置lua脚本返回的数据类型
DefaultRedisScript<Long> redisScript = new DefaultRedisScript<>();
// 设置lua脚本返回类型为Long
redisScript.setResultType(Long.class);
redisScript.setScriptText(script);
redisTemplate.execute(redisScript, Arrays.asList("lock"),uuid);

14.7.3）重试

Thread.sleep(500);
testLock();

为了确保分布式锁可用，我们至少要确保锁的实现同时满足以下四个条件：

  • 互斥性。在任意时刻，只有一个客户端能持有锁；

  • 不会发生死锁。即使有一个客户端在持有锁的期间崩溃而没有主动解锁，也能保证后续其他客户端能加锁；

  • 解铃还须系铃人。加锁和解锁必须是同一个客户端，客户端自己不能把别人加的锁给解了；

  • 加锁和解锁必须具有原子性。

悦读

道可道，非常道；名可名，非常名。 无名，天地之始，有名，万物之母。 故常无欲，以观其妙，常有欲，以观其徼。 此两者，同出而异名，同谓之玄，玄之又玄，众妙之门。

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