Redis系列二 - 通过redis命令和lua实现分布式锁

hryou0922
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原文链接： blog.csdn.net

1. 概述

在分布式系统，如果涉及到对相同资源的操作，则会经常涉及到使用分布锁。Redis为单进程单线程模式，通过Redis的命令SETNX，GET可以方便实现分布式锁。 本文先通过redis命令实现分布式锁，介绍实现的主要业务逻辑，并指出其存在的不足之处。然后通过lua脚本实现分布式锁，弥补其存在的不足。最后通过ab对两者实现的锁进行压力测试，比较两者的性能。

2. 使用redis命令实现分布锁

2.1. SETNX

语法： SETNX key value

  • 如果key不存在，则存储(key:value）值，返回1
  • 如果key已经不存在，则不执行操作，返回0

因为这个命令的性质，多个线程竞争时只有一个线程能修改key的值。利用这一点可以实现锁的互斥功能。

2.2. ILock 和 DistributeLock

定义锁：主要方法有两个lock和unlock

/**
 1. 定义锁
 2. @author hry
 3.  */
public interface ILock {
    /**
     * 获取锁
     * @param lock 锁名称
     */
    void lock(String lock);

    /**
     * 释放锁
     * @param lock 锁名称
     */
    void unlock(String lock);
}

ILock 具体实现类DistributeLock ：

  1. ThreadLocal threadId：通过threadId保存每个线程锁的UUID值，用于区分当前锁是否为自己所有，并且锁的value也存储此值
  2. lock主要逻辑：通过BoundValueOperations的setIfAbsent设置lockKey值(setIfAbsent其实就是封装了SETNX的命令），如果返回true，则表示已经获取锁;如果返回false，则进入等待
  3. unlock主要逻辑：通过redisTemplate.delete释放锁。在释放锁前，需要判断当前锁被当前线程所有，如果是，才执行释放锁，否则不执行
  4. 避免死锁：如果线程A拿到锁后，在执行释放锁前，突然死掉了，则其它线程都无法再次获取锁，从而出现死锁。为了避免死锁，我们获取锁后，需要为锁设置一个有效期，即使锁的拥有者死掉了，此锁也可以被自动释放
  5. 锁可重入：线程A拿到锁后，如果他再次执行lock，也可以再次拿到锁，而不是出现在等待锁的队列中; 如果当前线程已经获取锁，则再次请求锁则一定可以获取锁，否则会出现自己等待自己释放锁，从而出现死锁

详细的实现见代码：

/**
 * 通过redis实现分布锁
 * @author hry
 *
 */
public class DistributeLock implements ILock {
    private static final Logger logger  = LoggerFactory.getLogger(DistributeLock.class);

    private static final int LOCK_MAX_EXIST_TIME = 5;  // 单位s，一个线程持有锁的最大时间
    private static final String LOCK_PREX = "lock_"; // 作为锁的key的前缀

    private StringRedisTemplate redisTemplate;
    private String lockPrex; // 做为锁key的前缀
    private int lockMaxExistTime; // 单位s，一个线程持有锁的最大时间

    private ThreadLocal<String> threadId = new ThreadLocal<String>();  // 线程变量

    public DistributeLock(StringRedisTemplate redisTemplate){
        this(redisTemplate, LOCK_PREX, LOCK_MAX_EXIST_TIME);
    }

    public DistributeLock(StringRedisTemplate redisTemplate, String lockPrex, int lockMaxExistTime){
        this.redisTemplate = redisTemplate;
        this.lockPrex = lockPrex;
        this.lockMaxExistTime = lockMaxExistTime;
    }

    @Override
    public void lock(String lock){
        Assert.notNull(lock, "lock can't be null!");
        String lockKey = getLockKey(lock);
        BoundValueOperations<String,String> keyBoundValueOperations = redisTemplate.boundValueOps(lockKey);     
        while(true){
            // 如果上次拿到锁的是自己，则本次也可以拿到锁：实现可重入
            String value = keyBoundValueOperations.get();
            // 根据传入的值，判断用户是否持有这个锁
            if(value != null && value.equals(String.valueOf(threadId.get()))){
                // 重置过期时间
                keyBoundValueOperations.expire(lockMaxExistTime, TimeUnit.SECONDS);
                break;
            }

            if(keyBoundValueOperations.setIfAbsent(lockKey)){
                // 每次获取锁时，必须重新生成id值
                String keyUniqueId = UUID.randomUUID().toString(); // 生成key的唯一值
                threadId.set(keyUniqueId);
                // 显设置value，再设置过期日期，否则过期日期无效
                keyBoundValueOperations.set(String.valueOf(keyUniqueId));
                // 为了避免一个用户拿到锁后，进行过程中没有正常释放锁，这里设置一个默认过期实际，这段非常重要，如果没有，则会造成死锁
                keyBoundValueOperations.expire(lockMaxExistTime, TimeUnit.SECONDS);
                // 拿到锁后，跳出循环
                break;
            }else{
                try {
                    // 短暂休眠，nano避免出现活锁 
                    Thread.sleep(10, (int)(Math.random() * 500));
                } catch (InterruptedException e) {
                    break;
                }
            }
        }
    }


    /**
     * 释放锁，同时要考虑当前锁是否为自己所有，以下情况会导致当前线程失去锁：线程执行的时间超过超时的时间，导致此锁被其它线程拿走; 此时用户不可以执行删除
     * 
     * 以上方法的缺陷：
     *  a. 在本线程获取值，判断锁本线程所有，但是在执行删除前，锁超时被释放同时被另一个线程获取，则本操作释放锁
     * 
     * 最终解决方案
     *  a. 使用lua脚本，保证检测和删除在同一事物中
     * 
     */
    @Override
    public void unlock(final String lock) {
        final String lockKey = getLockKey(lock);
        BoundValueOperations<String,String> keyBoundValueOperations = redisTemplate.boundValueOps(lockKey);
        String lockValue = keyBoundValueOperations.get();
        if(!StringUtils.isEmpty(lockValue) && lockValue.equals(threadId.get())){
            redisTemplate.delete(lockKey);
        }else{
            logger.warn("key=[{}]已经变释放了，本次不执行释放. 线程Id[{}] ", lock, lockValue);  
        }
    }

    /**
     * 生成key
     * @param lock
     * @return
     */
    private String getLockKey(String lock){
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append(lockPrex).append(lock);
        return sb.toString();
    }

}

2.3. ILockManager和SimpleRedisLockManager

ILockManager: 封装分布锁使用

public interface ILockManager {
    /**
     * 通过加锁安全执行程序，无返回的数据
     * @param lockKeyName key名称
     * @param callback  
     */
    void lockCallBack(String lockKeyName, SimpleCallBack callback);
    /**
     * 通过加锁安全执行程序，有返回数据
     * @param lockKeyName
     * @param callback
     * @return
     */
    <T> T lockCallBackWithRtn(String lockKeyName, ReturnCallBack<T> callback);
}

SimpleRedisLockManager
ILockManager 的实现类，初始化上面实现的锁;
此类封装了使用锁的公共代码，简化分布锁的使用。
定义了两个回调方法，用于用户真正的业务逻辑实现

  1. SimpleCallBack: 无返回值的回调函数
  2. ReturnCallBack:有返回数据的回调函数
@Component
public class SimpleRedisLockManager implements ILockManager {   

    @Autowired
    protected StringRedisTemplate redisTemplate;

    protected ILock distributeLock; // 分布锁

    @PostConstruct
    public void init(){
        // 初始化锁
        distributeLock = new DistributeLock(redisTemplate, "mylock_", 5);
    }

    @Override
    public void lockCallBack(String lockKeyName, SimpleCallBack callback){
        Assert.notNull("lockKeyName","lockKeyName 不能为空");
        Assert.notNull("callback","callback 不能为空");
        try{
            // 获取锁
            distributeLock.lock(lockKeyName);
            callback.execute();
        }finally{
            // 必须释放锁
            distributeLock.unlock(lockKeyName);
        }
    }

    @Override
    public <T> T lockCallBackWithRtn(String lockKeyName, ReturnCallBack<T> callback){
        Assert.notNull("lockKeyName","lockKeyName 不能为空");
        Assert.notNull("callback","callback 不能为空");
        try{
            // 获取锁
            distributeLock.lock(lockKeyName);
            return callback.execute();
        }finally{
            // 必须释放锁
            distributeLock.unlock(lockKeyName);
        }
    }
}

/**
 * 无返回值的回调函数
 * @author hry
 *
 */
public interface SimpleCallBack {
    void execute();
}

/**
 * 有返回数据的回调函数
 * 
 * @author hry
 *
 * @param <T>
 */
public interface ReturnCallBack<T> {
    T execute();
}

2.4. 真正使用锁的代码TestCtrl

使用非常简单

@Autowired
private SimpleRedisLockManager simpleRedisLockManager;

 simpleRedisLockManager.lockCallBack("distributeLock" + ThreadLocalRandom.current().nextInt(1000), new SimpleCallBack() {
    @Override
    public void execute() {
        System.out.println("lockCallBack");
    }
});

2.5. 以上锁实现依然存在不足之处

  1. 如果线程A拿到锁超过规定的时间还没有结束，则此时redis会自动释放锁。此时线程B拿到锁，则同时线程A和线程B同时拿到锁。对于这种情况，可以通过设置合理的超时时间解决。
  2. 如果并发量很大，则可能出现多个线程同时拥有锁。这是因为在DistributeLock的lock和unlock方法都执行多条语句且这些语句不是事务的。比如线程A在unlock时，通过get方法得知自己拥有锁，然后他执行释放锁操作。在这两个操作之间，redis发现锁到期，自动删除锁，此时线程B申请并且得到锁。这时线程A才执行删除锁操作，则另外线程C也可以得到锁，此时线程B,C同时得到锁。这种情况可以通过下文的lua方法解决

3. 使用lua脚本实现分布锁

上面的锁的实现，之所有有问题，关键是执行的多条语句不在一个事务中。而本节介绍的lua正好可以解决这个问题。
redis 2.6.0之后的版本开始支持lua脚本。lua在redis使用详细见这里。在redis中执行一个lua脚本时redis会将整个脚本作为一个整体执行，中间不会被其他命令插入，解决多个命令事物的问题。

3.1. lua锁脚本

lock脚本:lock.lua

-- Set a lock
--  如果获取锁成功，则返回 1
local key     = KEYS[1]
local content = KEYS[2]
local ttl     = ARGV[1]
local lockSet = redis.call('setnx', key, content)
if lockSet == 1 then
  redis.call('pexpire', key, ttl)
--  redis.call('incr', "count")
else 
  -- 如果value相同，则认为是同一个线程的请求，则认为重入锁
  local value = redis.call('get', key)
  if(value == content) then
    lockSet = 1;
    redis.call('pexpire', key, ttl)
  end
end
return lockSet

unlock脚本: unlock.lua

-- unlock key
local key     = KEYS[1]
local content = KEYS[2]
local value = redis.call('get', key)
if value == content then
--  redis.call('decr', "count")
  return redis.call('del', key);
end
return 0

3.2. LuaDistributeLock

实现ILock接口 LuaDistributeLock 实现业务逻辑和DistributeLock基本相同。这里在创建LuaDistributeLock时会调用init方法初始化lock和unlock脚本，生成相应的DefaultRedisScript对象，这两个对象可以被重复使用，不需要每次执行lock/unlock就需要初始化一个对象

public class LuaDistributeLock implements ILock {
    private static final int LOCK_MAX_EXIST_TIME = 5;  // 单位s，一个线程持有锁的最大时间
    private static final String LOCK_PREX = "lock_"; // 作为锁的key的前缀

    private StringRedisTemplate redisTemplate;
    private String lockPrex; // 做为锁key的前缀
    private int lockMaxExistTime; // 单位s，一个线程持有锁的最大时间
    private DefaultRedisScript<Long> lockScript; // 锁脚本
    private DefaultRedisScript<Long> unlockScript; // 解锁脚本

    // 线程变量
    private ThreadLocal<String> threadKeyId = new ThreadLocal<String>(){
        @Override
        protected String initialValue() {
            return UUID.randomUUID().toString();
        }
    };  

    public LuaDistributeLock(StringRedisTemplate redisTemplate){
        this(redisTemplate, LOCK_PREX, LOCK_MAX_EXIST_TIME);
    }

    public LuaDistributeLock(StringRedisTemplate redisTemplate, String lockPrex, int lockMaxExistTime){
        this.redisTemplate = redisTemplate;
        this.lockPrex = lockPrex;
        this.lockMaxExistTime = lockMaxExistTime;
        // init
        init();
    }

    /**
     * 生成
     */
    public void init() {
        // Lock script
        lockScript = new DefaultRedisScript<Long>();
        lockScript.setScriptSource(
            new ResourceScriptSource(new ClassPathResource("com/hry/spring/redis/distributedlock/lock/lock.lua")));
        lockScript.setResultType(Long.class);
        // unlock script
        unlockScript = new DefaultRedisScript<Long>();
        unlockScript.setScriptSource(
            new ResourceScriptSource(new ClassPathResource("com/hry/spring/redis/distributedlock/lock/unlock.lua")));
        unlockScript.setResultType(Long.class);
    }

    @Override
    public void lock(String lock2){
        Assert.notNull(lock2, "lock2 can't be null!");
        String lockKey = getLockKey(lock2);
        while(true){
            List<String> keyList = new ArrayList<String>();
            keyList.add(lockKey);
            keyList.add(threadKeyId.get());
            if(redisTemplate.execute(lockScript, keyList, String.valueOf(lockMaxExistTime * 1000)) > 0){
                break;
            }else{
                try {
                    // 短暂休眠，nano避免出现活锁 
                    Thread.sleep(10, (int)(Math.random() * 500));
                } catch (InterruptedException e) {
                    break;
                }
            }
        }
    }


    /**
     * 释放锁，同时要考虑当前锁是否为自己所有，以下情况会导致当前线程失去锁：线程执行的时间超过超时的时间，导致此锁被其它线程拿走; 此时用户不可以执行删除
     */
    @Override
    public void unlock(final String lock) {
        final String lockKey = getLockKey(lock);
        List<String> keyList = new ArrayList<String>();
        keyList.add(lockKey);
        keyList.add(threadKeyId.get());
        redisTemplate.execute(unlockScript, keyList);
    }

    /**
     * 生成key
     * @param lock
     * @return
     */
    private String getLockKey(String lock){
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append(lockPrex).append(lock);
        return sb.toString();
    }

}

3.3. LuaLockRedisLockManager

继承上文的SimpleRedisLockManager ，重写init，初始化刚写的锁

@Component
public class LuaLockRedisLockManager extends SimpleRedisLockManager {
    @PostConstruct
    public void init(){
        // 初始化锁
        distributeLock = new LuaDistributeLock(redisTemplate, "mylock_", 5);
    }
}

3.4. 真正使用锁的代码TestCtrl

用法和SimpleRedisLockManager相同

@Autowired
private LuaLockRedisLockManager luaLockRedisLockManager;

luaLockRedisLockManager.lockCallBack("distributeLock2" + ThreadLocalRandom.current().nextInt(1000), new SimpleCallBack() {
    @Override
    public void execute() {
        System.out.println("distributeLock2");
    }
});

4. 性能比较

下面通过压力测试工具ab，对这两种实现进行压力测试：100个并发线程，总共发送1000个请求
simpleRedisLockManager： ab -n 1000 -c 100 http://192.168.188.4:8080/distributeLock2
luaLockRedisLockManager： ab -n 1000 -c 100 http://192.168.188.4:8080/distributeLock

详细数据如下
这里写图片描述
分析： lua脚本比redis的实现快很多，lua脚本的速度比使用普通命令快一倍。越是在高压力的情况下，lua的表现越好

5. 总结

为了更好的使用锁，建议满足以下条件

  1. 使用lua实现分布式锁
  2. 根据业务逻辑设置合理的超时时间
  3. 锁的粒度尽可能小，减少冲突

6. 代码

详细见代码

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