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聊聊分布式锁原理及Redis如何实现分布式锁

  • 作者: 铁血眼泪已经流干
  • 来源: 51数据库
  • 2023-01-29

本篇文章给大家带来了关于redis的相关知识,其中主要介绍了关于分布式锁是什么?Redis又是怎么实现分布式锁的?需要满足什么条件?下面一起来看一下吧,希望对需要的朋友有帮助。

一、分布式锁基本原理

分布式锁:满足分布式系统或集群模式下多进程可见并且互斥的锁。

分布式锁应该满足的条件:

  • 可见性:多个线程都能看到相同的结果,注意:这个地方说的可见性并不是并发编程中指的内存可见性,只是说多个进程之间都能感知到变化的意思
  • 互斥:互斥是分布式锁的最基本的条件,使得程序串行执行
  • 高可用:程序不易崩溃,时时刻刻都保证较高的可用性
  • 高性能:由于加锁本身就让性能降低,所有对于分布式锁本身需要他就较高的加锁性能和释放锁性能
  • 安全性:安全也是程序中必不可少的一环

常见的分布式锁有三种:

  • Mysql:mysql本身就带有锁机制,但是由于mysql性能本身一般,所以采用分布式锁的情况下,其实使用mysql作为分布式锁比较少见

  • Redis:redis作为分布式锁是非常常见的一种使用方式,现在企业级开发中基本都使用redis或者zookeeper作为分布式锁,利用setnx这个方法,如果插入key成功,则表示获得到了锁,如果有人插入成功,其他人插入失败则表示无法获得到锁,利用这套逻辑来实现分布式锁

  • Zookeeper:zookeeper也是企业级开发中较好的一个实现分布式锁的方案

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二、基于Redis实现分布式锁

实现分布式锁时需要实现的两个基本方法:

  • 获取锁:

    • 互斥:确保只能有一个线程获取锁
    • 非阻塞:尝试一次,成功返回true,失败返回false
  • 释放锁:

    • 手动释放
    • 超时释放:获取锁时添加一个超时时间

基于Redis实现分布式锁原理:

SET resource_name my_random_value NX PX 30000
  • resource_name:资源名称,可根据不同的业务区分不同的锁
  • my_random_value:随机值,每个线程的随机值都不同,用于释放锁时的校验
  • NX:key不存在时设置成功,key存在则设置不成功
  • PX:自动失效时间,出现异常情况,锁可以过期失效

利用NX的原子性,多个线程并发时,只有一个线程可以设置成功,设置成功表示获得锁,可以执行后续的业务处理;如果出现异常,过了锁的有效期,锁自动释放;

版本一

1、定义ILock接口

public interface ILock extends AutoCloseable {
    /**
     * 尝试获取锁
     *
     * @param timeoutSec 锁持有的超时时间,过期后自动释放
     * @return true代表获取锁成功;false代表获取锁失败
     */
    boolean tryLock(long timeoutSec);

    /**
     * 释放锁
     * @return
     */
    void unLock();
}

2、基于Redis实现分布式锁—RedisLock

public class SimpleRedisLock {
    private final StringRedisTemplate stringRedisTemplate;
    private final String name;

    public SimpleRedisLock(StringRedisTemplate stringRedisTemplate, String name) {
        this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;
        this.name = name;
    }

    private static final String KEY_PREFIX = "lock:";

    @Override
    public boolean tryLock(long timeoutSec) {
        //获取线程标识
        String threadId = Thread.currentThread().getId();
        //获取锁
        Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue()
                .setIfAbsent(KEY_PREFIX + name, threadId, timeoutSec, TimeUnit.SECONDS);
        return Boolean.TRUE.equals(success);
    }

    @Override
    public void unLock() {
        //通过del删除锁
        stringRedisTemplate.delete(KEY_PREFIX + name);
    }

    @Override
    public void close() {
        unLock();
    }
}

锁误删问题

问题说明:

持有锁的线程1在锁的内部出现了阻塞,这时锁超时自动释放,这时线程2尝试获得锁,然后线程2在持有锁执行过程中,线程1反应过来,继续执行,走到了删除锁逻辑,此时就会把本应该属于线程2的锁进行删除,这就是锁误删的情况。

解决方案:

在存入锁时,放入自己线程的标识,在删除锁时,判断当前这把锁的标识是不是自己存入的,如果是,则进行删除,如果不是,则不进行删除。

版本二:解决锁误删问题

public class SimpleRedisLock {
    private final StringRedisTemplate stringRedisTemplate;
    private final String name;

    public SimpleRedisLock(StringRedisTemplate stringRedisTemplate, String name) {
        this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;
        this.name = name;
    }

    private static final String KEY_PREFIX = "lock:";
    private static final String ID_PREFIX = UUID.randomUUID().toString(true) + "-";

    @Override
    public boolean tryLock(long timeoutSec) {
        //获取线程标识
        String threadId = ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId();
        //获取锁
        Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue()
                .setIfAbsent(KEY_PREFIX + name, threadId, timeoutSec, TimeUnit.SECONDS);
        return Boolean.TRUE.equals(success);
    }

    @Override
    public void unLock() {
        // 获取线程标示
        String threadId = ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId();
        // 获取锁中的标示
        String id = stringRedisTemplate.opsForValue().get(KEY_PREFIX + name);
        // 判断标示是否一致
        if(threadId.equals(id)) {
            // 释放锁
            stringRedisTemplate.delete(KEY_PREFIX + name);
        }
    }

    @Override
    public void close() {
        unLock();
    }
}

锁释放的原子性问题

问题分析:

上述释放锁的代码依然存在锁误删问题,当线程1获取锁中的线程标识,并根据标识判断是自己的锁,这时锁到期自动释放,恰好线程2尝试获取锁,并拿到了锁,此时线程1依然执行释放锁的操作,就导致误删了线程2持有的锁。

原因在于,由java代码实现的释放锁流程不是原子操作,存在线程安全问题。

解决方案:

Redis提供了Lua脚本功能,在一个脚本中编写多条Redis命令,可以确保多条命令执行时的原子性。

版本三:调用Lua脚本改造分布式锁

public class SimpleRedisLock implements ILock {
    private final StringRedisTemplate stringRedisTemplate;
    private final String name;

    public SimpleRedisLock(StringRedisTemplate stringRedisTemplate, String name) {
        this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;
        this.name = name;
    }

    private static final String KEY_PREFIX = "lock:";
    private static final String ID_PREFIX = UUID.randomUUID().toString(true) + "-";

    @Override
    public boolean tryLock(long timeoutSec) {
        //获取线程标识
        String threadId = ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId();
        //获取锁
        Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue()
                .setIfAbsent(KEY_PREFIX + name, threadId, timeoutSec, TimeUnit.SECONDS);
        return Boolean.TRUE.equals(success);
    }

    @Override
    public void unLock() {
        String script = "if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then\n" +
                " return redis.call("del",KEYS[1])\n" +
                "else\n" +
                " return 0\n" +
                "end";
        //通过执行lua脚本实现锁删除,可以校验随机值
        RedisScript<Boolean> redisScript = RedisScript.of(script, Boolean.class);
        stringRedisTemplate.execute(redisScript,
                Collections.singletonList(KEY_PREFIX + name),
                ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId());
    }

    @Override
    public void close() {
        unLock();
    }
}
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