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『超级架构师』Redis分布式锁

『超级架构师』Redis分布式锁

前言

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Hello 大家好,我是l拉不拉米,这篇文章是我的『超级架构师』专栏系列文章,欢迎大家关注该专栏。

分布式锁的概念

分布式锁是控制分布式系统之间同步访问共享资源的一种方式。

分布式系统中,常常需要协调他们的动作。如果不同的系统或是同一个系统的不同主机之间共享了一个或一组资源,那么访问这些资源的时候,往往需要互斥来防止彼此干扰来保证一致性,这个时候,便需要使用到分布式锁。

要实现一个最基础的分布式锁,需要满足3个特性:

  1. 独享:相互排斥,在任意一个时刻,只有一个客户端持有锁。
  2. 无死锁:即便持有锁的客户端崩溃(crashed)或者网络被分裂(gets partitioned),锁仍然可以被获取。
  3. 容错:只要大部分Redis节点都活着,客户端就可以获取和释放锁。

如果要实现一个完整的分布式锁,则需要保证:

  1. 在分布式系统环境下,一个方法在同一时间只能被一个机器的一个线程执行;
  2. 高可用的获取锁与释放锁;
  3. 高性能的获取锁与释放锁;
  4. 具备可重入特性;
  5. 具备锁失效机制,防止死锁;
  6. 具备非阻塞锁特性,即没有获取到锁将直接返回获取锁失败。

目前最主流的三种分布式锁的实现方式:

  1. 基于数据库实现分布式锁;
  2. 基于缓存(Redis等)实现分布式锁;
  3. 基于Zookeeper实现分布式锁;

Redis分布式锁的简单实现

实现Redis分布式锁的最简单的方法就是在Redis中创建一个key,这个key有一个失效时间(TTL),以保证锁最终会被自动释放掉(保证无死锁)。当客户端释放资源(解锁)的时候,会删除掉这个key。

SETNX命令的实现

SETNX KEY_NAME VALUE
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这个命令在指定的 key 不存在时,为 key 设置指定的值。该命令无法给锁设置失效时间,所以需要配合EXPIRE 命令才能给锁加上自动失效时间。

EXPIRE KEY_NAME 1  // 单位为s
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这样实现存在严重的问题:不能保证锁的原子操作,因为需要先后执行两条命令,有一定的概率导致SET命令执行了,而EXPIRE命令没执行,导致锁不会被释放。

SET命令的实现

Redis 2.6.12 版本开始, SET 命令的行为可以通过一系列参数来修改:

  • 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。

现在,可以把setnx和expire合成一条指令来用,不用在担心原子问题。

SET KEY_NAME VALUE NX PX 30000
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这个命令仅在不存在key的时候才能被执行成功(NX选项),并且这个key有一个30秒的自动失效时间(PX属性)。这个key的值在所有的客户端必须是唯一的,所有同一key的获取者(竞争者)这个值都不能一样。

释放锁

释放锁的正确方式应该是使用Lua脚本,只有key存在并且存储的值和我指定的值一样才能告诉我删除成功。

if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
    return redis.call("del",KEYS[1])
else
    return 0
end
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使用这种方式释放锁可以避免删除别的客户端获取成功的锁。

举个例子:客户端A取得资源锁,但是紧接着被一个其他操作阻塞了,当客户端A运行完毕其他操作后要释放锁时,原来的锁早已超时并且被Redis自动释放,并且在这期间资源锁又被客户端B再次获取到。如果仅使用DEL命令将key删除,那么这种情况就会把客户端B的锁给删除掉。使用Lua脚本就不会存在这种情况,因为脚本仅会删除value等于客户端A的value的key(value相当于客户端的一个签名),而且Lua脚本可以保证原子执行

Redisson分布式锁的实现

Redisson是一个在Redis的基础上实现的Java驻内存数据网格(In-Memory Data Grid)。它不仅提供了一系列的分布式的Java常用对象,还提供了许多分布式服务。其中包括(BitSet, Set, Multimap, SortedSet, Map, List, Queue, BlockingQueue, Deque, BlockingDeque, Semaphore, Lock, AtomicLong, CountDownLatch, Publish / Subscribe, Bloom filter, Remote service, Spring cache, Executor service, Live Object service, Scheduler service) Redisson提供了使用Redis的最简单和最便捷的方法。Redisson的宗旨是促进使用者对Redis的关注分离(Separation of Concern),从而让使用者能够将精力更集中地放在处理业务逻辑上。

Redisson底层采用的是Netty框架。支持Redis 2.8+以上版本,支持Java1.6+以上版本。

可重入锁(Reentrant Lock)

基于Redis的Redisson分布式可重入锁RLock Java对象实现了java.util.concurrent.locks.Lock接口。同时还提供了异步(Async)反射式(Reactive)RxJava2标准的接口。

RLock lock = redisson.getLock("anyLock"); 
// 最常见的使用方法
lock.lock();
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如果负责储存这个分布式锁的Redisson节点宕机以后,而且这个锁正好处于锁住的状态时,这个锁会出现锁死的状态。为了避免这种情况的发生,Redisson内部提供了一个监控锁的看门狗,它的作用是在Redisson实例被关闭前,不断的延长锁的有效期。默认情况下,看门狗的检查锁的超时时间是30秒钟,也可以通过修改Config.lockWatchdogTimeout来另行指定。

另外Redisson还通过加锁的方法提供了leaseTime的参数来指定加锁的时间。超过这个时间后锁便自动解开了。

// 加锁以后10秒钟自动解锁
// 无需调用unlock方法手动解锁
lock.lock(10, TimeUnit.SECONDS);

// 尝试加锁,最多等待100秒,上锁以后10秒自动解锁
boolean res = lock.tryLock(100, 10, TimeUnit.SECONDS);
if (res) {
   try {
     ...
   } finally {
       lock.unlock();
   }
}
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Redisson同时还为分布式锁提供了异步执行的相关方法:

RLock lock = redisson.getLock("anyLock");
lock.lockAsync();
lock.lockAsync(10, TimeUnit.SECONDS);
Future<Boolean> res = lock.tryLockAsync(100, 10, TimeUnit.SECONDS);
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RLock对象完全符合Java的Lock规范。也就是说只有拥有锁的进程才能解锁,其他进程解锁则会抛出IllegalMonitorStateException错误。但是如果遇到需要其他进程也能解锁的情况,请使用分布式信号量Semaphore 对象.

公平锁(Fair Lock)

RLock fairLock = redisson.getFairLock("anyLock");
// 最常见的使用方法
fairLock.lock();
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它保证了当多个Redisson客户端线程同时请求加锁时,优先分配给先发出请求的线程。所有请求线程会在一个队列中排队,当某个线程出现宕机时,Redisson会等待5秒后继续下一个线程,也就是说如果前面有5个线程都处于等待状态,那么后面的线程会等待至少25秒。

联锁(MultiLock)

基于Redis的Redisson分布式联锁RedissonMultiLock对象可以将多个RLock对象关联为一个联锁,每个RLock对象实例可以来自于不同的Redisson实例。

RLock lock1 = redissonInstance1.getLock("lock1");
RLock lock2 = redissonInstance2.getLock("lock2");
RLock lock3 = redissonInstance3.getLock("lock3");

RedissonMultiLock lock = new RedissonMultiLock(lock1, lock2, lock3);
// 同时加锁:lock1 lock2 lock3
// 所有的锁都上锁成功才算成功。
lock.lock();
...
lock.unlock();
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红锁(RedLock)

基于Redis的Redisson红锁RedissonRedLock对象实现了Redlock介绍的加锁算法。该对象也可以用来将多个RLock对象关联为一个红锁,每个RLock对象实例可以来自于不同的Redisson实例。

RLock lock1 = redissonInstance1.getLock("lock1");
RLock lock2 = redissonInstance2.getLock("lock2");
RLock lock3 = redissonInstance3.getLock("lock3");

RedissonRedLock lock = new RedissonRedLock(lock1, lock2, lock3);
// 同时加锁:lock1 lock2 lock3
// 红锁在大部分节点上加锁成功就算成功。
lock.lock();
...
lock.unlock();
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读写锁(ReadWriteLock)

基于Redis的Redisson分布式可重入读写锁RReadWriteLock Java对象实现了java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock接口。其中读锁和写锁都继承了RLock接口。

分布式可重入读写锁允许同时有多个读锁和一个写锁处于加锁状态。

RReadWriteLock rwlock = redisson.getReadWriteLock("anyRWLock");
// 最常见的使用方法
rwlock.readLock().lock();
// 或
rwlock.writeLock().lock();
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信号量(Semaphore)

基于Redis的Redisson的分布式信号量(Semaphore)Java对象RSemaphore采用了与java.util.concurrent.Semaphore相似的接口和用法。同时还提供了异步(Async)反射式(Reactive)RxJava2标准的接口。

RSemaphore semaphore = redisson.getSemaphore("semaphore");
semaphore.acquire();
//或
semaphore.acquireAsync();
semaphore.acquire(23);
semaphore.tryAcquire();
//或
semaphore.tryAcquireAsync();
semaphore.tryAcquire(23, TimeUnit.SECONDS);
//或
semaphore.tryAcquireAsync(23, TimeUnit.SECONDS);
semaphore.release(10);
semaphore.release();
//或
semaphore.releaseAsync();
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可过期性信号量(PermitExpirableSemaphore)

基于Redis的Redisson可过期性信号量(PermitExpirableSemaphore)是在RSemaphore对象的基础上,为每个信号增加了一个过期时间。每个信号可以通过独立的ID来辨识,释放时只能通过提交这个ID才能释放。它提供了异步(Async)反射式(Reactive)RxJava2标准的接口。

RPermitExpirableSemaphore semaphore = redisson.getPermitExpirableSemaphore("mySemaphore");
String permitId = semaphore.acquire();
// 获取一个信号,有效期只有2秒钟。
String permitId = semaphore.acquire(2, TimeUnit.SECONDS);
// ...
semaphore.release(permitId);
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闭锁(CountDownLatch)

基于Redisson的Redisson分布式闭锁(CountDownLatch)Java对象RCountDownLatch采用了与java.util.concurrent.CountDownLatch相似的接口和用法。

RCountDownLatch latch = redisson.getCountDownLatch("anyCountDownLatch");
latch.trySetCount(1);
latch.await();

// 在其他线程或其他JVM里
RCountDownLatch latch = redisson.getCountDownLatch("anyCountDownLatch");
latch.countDown();
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最后

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