Redis实战—基于setnx的分布式锁与Redisson

 本博客为个人学习笔记，学习网站与详细见：黑马程序员Redis入门到实战 P56 - P63

目录

分布式锁介绍

基于SETNX的分布式锁

SETNX锁代码实现

修改业务代码 

SETNX锁误删问题

SETNX锁原子性问题 

Lua脚本

编写脚本 

代码优化

总结 

Redisson

前言

介绍

Redisson快速入门 

原理介绍

Redission可重入锁原理

Redission锁重试和WatchDog机制

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分布式锁介绍

        在上一篇文章 Redis实战—优惠卷秒杀 中，我们通过使用锁、事务和代理对象实现了“一人一单”的优惠券秒杀功能。但我们使用的锁是基于JVM内部的锁，这导致锁的范围只能限制单个JVM的线程操作，因此在集群情况下，依然会出现超卖问题。所以我们需要设置一个锁，使其能够同时限制集群中的多个JVM线程操作，而这个锁就是分布式锁，由此引出本文。

集群情况下JVM锁的使用情况如下图。

 集群情况下分布式锁的使用情况如下图。

 分布式锁的实现

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基于SETNX的分布式锁

        我们利用Redis的SET lock thread1 NX操作来模拟获取锁，即如果当前不存在lock键，则添加lock键成功，如果当前存在lock键，则添加lock键失败。我们将添加lock键的操作视为获取锁的操作，将lock键是否存在视为当前锁是否已被其他线程获取。执行语句后，通过Redis返回OK或者nil，我们可以判断是否获取锁成功。为防止宕机时无法对锁进行销毁，我们在进行SET操作时还需通过EX为键设置一个合理的时间。

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SETNX锁代码实现

// 接口类
public interface ILock {/** 尝试获取锁* timeoutSec 锁持有的超时时间，过期后自动释放* 返回值 true代表获取锁成功；false代表获取锁失败* */boolean tryLock(long timeoutSec);//释放锁void unlock();}// 接口实现类
public class SimpleRedisLock implements ILock {private String name;private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;public SimpleRedisLock(String name, StringRedisTemplate stringRedisTemplate) {this.name = name;this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;}private static final String KEY_PREFIX = "lock:";@Overridepublic boolean tryLock(long timeoutSec) {// 获取线程标识long threadId = Thread.currentThread().getId();// 获取锁，并添加时间Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(KEY_PREFIX + name, threadId + " ", timeoutSec, TimeUnit.SECONDS);//避免拆箱导致空指针，使用Boolean.TRUE.equals方法返回结果return Boolean.TRUE.equals(success);}@Overridepublic void unlock() {// 释放锁stringRedisTemplate.delete(KEY_PREFIX + name);}
}

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修改业务代码 

    public Result seckillVoucher(Long voucherId) {//判断是否满足抢购条件...Long userId = UserHolder.getUser().getId();// 创建锁对象，根据用户ID加锁SimpleRedisLock lock = new SimpleRedisLock("order:" + userId, stringRedisTemplate);// 获取锁boolean isLock = lock.tryLock(1200);// 若获取锁失败if (!isLock)return Result.fail("不允许重复下单");// 若获取锁成功try {// 获取当前代理对象（事务）IVoucherOrderService proxy = (IVoucherOrderService) AopContext.currentProxy();return proxy.createVoucherOrder(voucherId);} finally {lock.unlock();}}

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SETNX锁误删问题

        如上图所示，持有锁的线程1在锁的内部出现了业务阻塞，导致它的锁被超时释放。这时线程2尝试获得锁成功，然而在线程2持有锁执行过程中，线程1的业务反应过来，继续执行，而线程1业务执行完成后，进行了删除锁逻辑，此时就会把本应属于线程2的锁进行删除，这就是误删其它线程锁的情况。 

        解决方案：当线程创建锁时，同时为该锁添加当前线程标识，该标识由UUID随机数为前缀与线程id组合而成（为避免出现集群下两个线程的id相同的情况，因此添加UUID前缀）。当一个线程删除锁时，需要判断当前线程标识与锁标识是否一致，若一致，说明该锁由当前线程创建，可进行删除；若不一致，说明该锁由其它线程创建，不可进行删除。

        对simpleRedisLock类代码优化如下。

package com.hmdp.utils;import cn.hutool.core.lang.UUID;
import org.springframework.data.redis.core.StringRedisTemplate;import java.util.concurrent.TimeUnit;public class SimpleRedisLock implements ILock {private String name;private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;public SimpleRedisLock(String name, StringRedisTemplate stringRedisTemplate) {this.name = name;this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;}private static final String KEY_PREFIX = "lock:";private static final String ID_PREFIX = UUID.randomUUID().toString(true) + "-";@Overridepublic boolean tryLock(long timeoutSec) {// 获取线程标识String threadId = ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId();// 获取锁，并设置标识、添加时间Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(KEY_PREFIX + name, threadId, timeoutSec, TimeUnit.SECONDS);//避免拆箱导致空指针，使用Boolean.TRUE.equals方法返回结果return Boolean.TRUE.equals(success);}@Overridepublic void unlock() {// 获取线程标识String threadId = ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId();// 获取锁标识String lockID = stringRedisTemplate.opsForValue().get(KEY_PREFIX + name);// 判断标识是否一致if(threadId.equals(lockID))stringRedisTemplate.delete(KEY_PREFIX + name);}
}

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SETNX锁原子性问题 

        如上图所示，线程1执行业务结束后，进行释放锁的操作，在对锁的标识进行判断后，开始释放锁。但是，线程1在"判断结束"到"释放锁"的期间，受到了阻塞（遇到JVM垃圾回收机制时会暂停程序，导致阻塞），这时线程2获取锁。当线程1恢复后，继续进行释放锁的操作，将会误删线程2的锁。我们前面设置了锁标识，并且要求在释放锁之前需要做一个判断，但在判断可以释放锁后，如果遇到了阻塞，将可能导致上图所示的误删操作。

        解决方法：我们需要实现"判断"和"释放锁"这两条命令的原子性操作。

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Lua脚本

        Redis提供了Lua脚本功能，在一个脚本中编写多条Redis命令，能够确保多条命令执行时的原子性。Lua是一种编程语言，其基本语法可以参考网站：Lua 教程 | 菜鸟教程。这里重点介绍Redis提供的调用函数，我们可以使用lua去操作redis，以保证多条redis命令的原子性，这样就可以实现拿锁、判断、删锁多条命令的原子性动作了，作为一名Java程序员这一块并不需要大家过于精通，只需要知道它有什么作用即可。

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编写脚本 

        我们需要在resources文件中新建.lua文件（如果没有该新建项，需要下载EmmyLua插件），并在其中添加下图中的脚本内容。

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代码优化

优化后的代码如下。

public class SimpleRedisLock implements ILock {private String name;private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;public SimpleRedisLock(String name, StringRedisTemplate stringRedisTemplate) {this.name = name;this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;}private static final String KEY_PREFIX = "lock:";private static final String ID_PREFIX = UUID.randomUUID().toString(true) + "-";private static final DefaultRedisScript<Long> UNLOCK_SCRIPT;//初始化UNLOCK_SCRIPTstatic {UNLOCK_SCRIPT = new DefaultRedisScript<>();UNLOCK_SCRIPT.setLocation(new ClassPathResource("unlock.lua"));//初始化返回值UNLOCK_SCRIPT.setResultType(Long.class);}@Overridepublic boolean tryLock(long timeoutSec) {// 获取线程标识String threadId = ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId();// 获取锁，并设置锁标识、添加时间Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(KEY_PREFIX + name, threadId, timeoutSec, TimeUnit.SECONDS);//避免拆箱导致空指针，使用Boolean.TRUE.equals方法返回结果return Boolean.TRUE.equals(success);}@Overridepublic void unlock() {// 调用lua脚本stringRedisTemplate.execute(UNLOCK_SCRIPT,//要求传入KEYS集合，使用Collections单元素集合工具Collections.singletonList(KEY_PREFIX + name),//线程标识ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId());}/*  @Overridepublic void unlock() {// 获取线程标识String threadId = ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId();// 获取锁标识String lockID = stringRedisTemplate.opsForValue().get(KEY_PREFIX + name);// 判断标识是否一致if(threadId.equals(lockID))stringRedisTemplate.delete(KEY_PREFIX + name);}*/
}

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总结 

基于Redis的分布式锁实现思路
· 利用set nxex获取锁，并设置过期时间，保存线程标识
· 释放锁时先判断线程标识是否与锁标识一致，若一致则删除锁

特性
· 利用set nx满足互斥性
· 利用set ex保证故障时锁依然能释放，避免死锁，提高安全性
· 利用redis集群保证高可用和高并发特性（本文未涉及）

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Redisson

前言

基于SETNX实现的分布式锁存在以下的问题：

重入问题：重入问题是指获得锁的线程可以再次进入到相同的锁的代码块中，可重入锁的意义在于防止死锁，比如HashTable的代码中，方法都是使用synchronized修饰的。假如它在一个方法内，调用另一个方法，如果此时是不可重入的，就会导致死锁。所以可重入锁的主要意义是防止死锁，我们的synchronized和Lock锁都是可重入的。

不可重试：是指目前的分布式只能尝试一次获取锁，我们认为合理的情况是：当线程在获得锁失败后，它应该能再次尝试获取锁。

超时释放：我们在加锁时添加了过期时间，目的是防止死锁，但如果阻塞的时间超长，尽管我们采用了lua表达式防止误删其它锁，但因为阻塞，锁被超时释放，没有锁住，依然有安全隐患。

主从一致性： 如果Redis提供了主从集群，当我们向集群写数据时，主机需要异步的将数据同步给从机，而万一在同步过去之前，主机宕机了，将会导致死锁问题。

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介绍

        Redisson是一个在Redis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，其中就包含了各种分布式锁的实现。

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Redisson快速入门 

一、引入依赖

<dependency><groupId>org.redisson</groupId><artifactId>redisson</artifactId><version>3.13.6</version>
</dependency>

二、配置Redisson客户端

@Configuration
public class RedissonConfig {@Beanpublic RedissonClient redissonClient(){// 配置Config config = new Config();config.useSingleServer().setAddress("redis://192.168.150.101:6379").setPassword("123321");// 创建RedissonClient对象return Redisson.create(config);}
}

三、基本使用方法

@Resource
private RedissionClient redissonClient;@Test
void testRedisson() throws Exception{//获取锁(可重入)，指定锁的名称RLock lock = redissonClient.getLock("anyLock");//尝试获取锁，参数分别是：获取锁的最大等待时间(期间会重试)，锁自动释放时间，时间单位//若无参数，默认为-1，30s 即不重试获取锁，自动释放时间为30sboolean isLock = lock.tryLock(1,10,TimeUnit.SECONDS);//判断获取锁成功if(isLock){try{System.out.println("执行业务");          }finally{//释放锁lock.unlock();}}    
}

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原理介绍

 原理篇章详细见：黑马程序员Redis入门到实战 P66 - P68 （深入学习建议看视频）

Redission可重入锁原理

        在Lock锁中，它是借助于底层的一个voaltile的一个state变量来记录重入状态的，比如当前没有线程持有这把锁，那么state=0，假如有线程持有这把锁，那么state=1。如果持有这把锁的线程再次持有这把锁，那么state就会+1 。如果是对于synchronized而言，它在c语言代码中会有一个count，其原理和state类似，也是重入一次就+1，释放一次就-1 ，直到值为0 时，表示当前这把锁没有被任何线程持有。
        而Redission也支持可重入锁，其底层采用lua脚本实现，原理与上述内容相似，它采用hash结构来存储锁，其中大key表示当前这把锁被哪个线程持有，小key表示这把锁是否存在，如果持有这把锁的线程再次持有这把锁，那么小key就会+1。

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Redission锁重试和WatchDog机制

很复杂，建议多看几遍视频

Redisson分布式锁原理
可重入：利用hash结构记录线程id和重入次数
可重试：利用信号量和PubSub功能实现等待、唤醒，获取锁失败的重试机制
超时续约：利用watchDog，每隔一段时间(releaseTime/3)，重置超时时间

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