Redis高级_分布式锁

分布式锁

基本原理和实现方式对比

分布式锁：满足分布式系统或集群模式下多线程课件并且可以互斥的锁
分布式锁的核心思想就是让大家共用同一把锁，那么我们就能锁住线程，不让线程进行，让程序串行执行，这就是分布式锁的核心思路
那么分布式锁应该满足一些什么条件呢？
1. 可见性：多个线程都能看到相同的结果。
注意：这里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
1. 互斥：互斥是分布式锁的最基本条件，使得程序串行执行
2. 高可用：程序不易崩溃，时时刻刻都保证较高的可用性
3. 高性能：由于加锁本身就让性能降低，所以对于分布式锁需要他较高的加锁性能和释放锁性能
4. 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
1. MySQL：MySQL本身就带有锁机制，但是由于MySQL的性能一般，所以采用分布式锁的情况下，使用MySQL作为分布式锁比较少见
2. 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是用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，那么其他人就回插入失败，无法获取到锁，利用这套逻辑完成互斥，从而实现分布式锁
3. Zookeeper：Zookeeper也是企业级开发中较好的一种实现分布式锁的方案，但本文是学Redis的，所以这里就不过多阐述了

	MySQL	Redis	Zookeeper
互斥	利用mysql本身的互斥锁机制	利用setnx这样的互斥命令	利用节点的唯一性和有序性实现互斥
高可用	好	好	好
高性能	一般	好	一般
安全性	断开连接，自动释放锁	利用锁超时时间，到期释放	临时节点，断开连接自动释放

Redis分布式锁的实现核心思路

实现分布式锁时需要实现两个基本方法
1. 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

1	SET lock thread01 NX EX 10

释放锁
- 手动释放
- 超时释放：获取锁的时候添加一个超时时间

DEL lock

核心思路
- 我们利用redis的SETNX方法，当有多个线程进入时，我们就利用该方法来获取锁。第一个线程进入时，redis 中就有这个key了，返回了1，如果结果是1，则表示他抢到了锁，那么他去执行业务，然后再删除锁，退出锁逻辑，没有抢到锁（返回了0）的线程，等待一定时间之后重试

实现分布式锁

锁的基本接口

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

    /**
     * 释放锁
     */
    void unlock();
}

然后创建一个SimpleRedisLock类实现接口

public class SimpleRedisLock implements ILock {
    //锁的前缀
    private static final String KEY_PREFIX = "lock:";
    //具体业务名称，将前缀和业务名拼接之后当做Key
    private String name;
    //这里不是@Autowired注入，采用的是构造器注入，在创建SimpleRedisLock时，将RedisTemplate作为参数传入
    private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;

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

    @Override
    public boolean tryLock(long timeoutSec) {
        //获取线程标识
        long threadId = Thread.currentThread().getId();
        //获取锁，使用SETNX方法进行加锁，同时设置过期时间，防止死锁
        Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(KEY_PREFIX + name, threadId + "", timeoutSec, TimeUnit.SECONDS);
        //自动拆箱可能会出现null，这样写更稳妥
        return Boolean.TRUE.equals(success);
    }

    @Override
    public void unlock() {
        //通过DEL来删除锁
        stringRedisTemplate.delete(KEY_PREFIX + name);
    }
}

修改业务代码

@Override
public Result seckillVoucher(Long voucherId) {
    LambdaQueryWrapper<SeckillVoucher> queryWrapper = new LambdaQueryWrapper<>();
    //1. 查询优惠券
    queryWrapper.eq(SeckillVoucher::getVoucherId, voucherId);
    SeckillVoucher seckillVoucher = seckillVoucherService.getOne(queryWrapper);
    //2. 判断秒杀时间是否开始
    if (LocalDateTime.now().isBefore(seckillVoucher.getBeginTime())) {
        return Result.fail("秒杀还未开始，请耐心等待");
    }
    //3. 判断秒杀时间是否结束
    if (LocalDateTime.now().isAfter(seckillVoucher.getEndTime())) {
        return Result.fail("秒杀已经结束！");
    }
    //4. 判断库存是否充足
    if (seckillVoucher.getStock() < 1) {
        return Result.fail("优惠券已被抢光了哦，下次记得手速快点");
    }
    Long userId = UserHolder.getUser().getId();
    // 创建锁对象
    SimpleRedisLock redisLock = new SimpleRedisLock("order:" + userId, stringRedisTemplate);
    // 获取锁对象
    boolean isLock = redisLock.tryLock(120);
    // 加锁失败，说明当前用户开了多个线程抢优惠券，但是由于key是SETNX的，所以不能创建key，得等key的TTL到期或释放锁（删除key）
    if (!isLock) {
        return Result.fail("不允许抢多张优惠券");
    }
    try {
        // 获取代理对象
        IVoucherOrderService proxy = (IVoucherOrderService) AopContext.currentProxy();
        return proxy.createVoucherOrder(voucherId);
    } finally {
        // 释放锁
        redisLock.unlock();
    }
}

使用Jmeter进行压力测试，请求头中携带登录用户的token，最终只能抢到一张优惠券

Redis分布式锁误删情况说明

逻辑说明
- 持有锁的线程1在锁的内部出现了阻塞，导致他的锁TTL到期，自动释放
- 此时线程2也来尝试获取锁，由于线程1已经释放了锁，所以线程2可以拿到
- 但是现在线程1阻塞完了，继续往下执行，要开始释放锁了
- 那么此时就会将属于线程2的锁释放，这就是误删别人锁的情况
解决方案
- 解决方案就是在每个线程释放锁的时候，都判断一下这个锁是不是自己的，如果不属于自己，则不进行删除操作。
- 假设还是上面的情况，线程1阻塞，锁自动释放，线程2进入到锁的内部执行逻辑，此时线程1阻塞完了，继续往下执行，开始删除锁，但是线程1发现这把锁不是自己的，所以不进行删除锁的逻辑，当线程2执行到删除锁的逻辑时，如果TTL还未到期，则判断当前这把锁是自己的，于是删除这把锁

解决Redis分布式锁误删问题

需求：修改之前的分布式锁实现
满足：在获取锁的时候存入线程标识（用UUID标识，在一个JVM中，ThreadId一般不会重复，但是我们现在是集群模式，有多个JVM，多个JVM之间可能会出现ThreadId重复的情况），在释放锁的时候先获取锁的线程标识，判断是否与当前线程标识一致
- 如果一致则释放锁
- 如果不一致则不释放锁
核心逻辑：在存入锁的时候，放入自己的线程标识，在删除锁的时候，判断当前这把锁是不是自己存入的
- 如果是，则进行删除
- 如果不是，则不进行删除
具体实现代码如下

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() {
    // 获取当前线程的标识
    String threadId = ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId();
    // 获取锁中的标识
    String id = stringRedisTemplate.opsForValue().get(KEY_PREFIX + name);
    // 判断标识是否一致
    if (threadId.equals(id)) {
        // 释放锁
        stringRedisTemplate.delete(KEY_PREFIX + name);
    }
}

分布式锁的原子性问题

更为极端的误删逻辑说明
假设线程1已经获取了锁，在判断标识一致之后，准备释放锁的时候，又出现了阻塞（例如JVM垃圾回收机制）
于是锁的TTL到期了，自动释放了
那么现在线程2趁虚而入，拿到了一把锁
但是线程1的逻辑还没执行完，那么线程1就会执行删除锁的逻辑
但是在阻塞前线程1已经判断了标识一致，所以现在线程1把线程2的锁给删了
那么就相当于判断标识那行代码没有起到作用
这就是删锁时的原子性问题
因为线程1的拿锁，判断标识，删锁，不是原子操作，所以我们要防止刚刚的情况

Lua脚本解决多条命令原子性问题

Redis提供了Lua脚本功能，在一个脚本中编写多条Redis命令，确保多条命令执行时的原子性。
Lua是一种编程语言，它的基本语法可以上菜鸟教程看看，链接：https://www.runoob.com/lua/lua-tutorial.html
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，而且还能保证它的原子性，这样就可以实现拿锁，判断标识，删锁是一个原子性动作了
Redis提供的调用函数语法如下

1	redis.call('命令名称','key','其他参数', ...)

例如我们要执行set name Kyle，则脚本是这样

1	redis.call('set', 'name', 'Kyle')

例如我我们要执行set name David，在执行get name，则脚本如下

## 先执行set name David
redis.call('set', 'name', 'David')
## 再执行get name
local name = redis.call('get', 'name')
## 返回
return name

写好脚本以后，需要用Redis命令来调用脚本，调用脚本的常见命令如下

1 2	EVAL script numkeys key [key ...] arg [arg ...]

例如，我们要调用redis.call(‘set’, ‘name’, ‘Kyle’) 0这个脚本，语法如下

1 2	EVAL "return redis.call('set', 'name', 'Kyle')" 0

如果脚本中的key和value不想写死，可以作为参数传递，key类型参数会放入KEYS数组，其他参数会放入ARGV数组，在脚本中可以从KEYS和ARGV数组中获取这些参数

注意：在Lua中，数组下标从1开始

1 2	EVAL "return redis.call('set', KEYS[1], ARGV[1])" 1 name Lucy

那现在我们来使用Lua脚本来代替我们释放锁的逻辑
- 原逻辑

@Override
public void unlock() {
    // 获取当前线程的标识
    String threadId = ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId();
    // 获取锁中的标识
    String id = stringRedisTemplate.opsForValue().get(KEY_PREFIX + name);
    // 判断标识是否一致
    if (threadId.equals(id)) {
        // 释放锁
        stringRedisTemplate.delete(KEY_PREFIX + name);
    }
}

改写为Lua脚本01
- 但是现在是写死了的，我们可以通过传参的方式来变成动态的Lua脚本

-- 线程标识
local threadId = "UUID-31"
-- 锁的key
local key = "lock:order:userId"
-- 获取锁中线程标识
local id = redis.call('get', key)
-- 比较线程标识与锁的标识是否一致
if (threadId == id) then
    -- 一致则释放锁 del key
    return redis.call('del', key)
end
return 0

改写为Lua脚本02
- 但是现在是写死了的，我们可以通过传参的方式来变成动态的Lua脚本

-- 这里的KEYS[1]就是传入锁的key
-- 这里的ARGV[1]就是线程标识
-- 比较锁中的线程标识与线程标识是否一致
if (redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1]) then
    -- 一致则释放锁
    return redis.call('del', KEYS[1])
end
return 0

利用Java代码调用Lua脚本改造分布式锁

在RedisTemplate中，可以利用execute方法去执行lua脚本

public <T> T execute(RedisScript<T> script, List<K> keys, Object... args) {
    return this.scriptExecutor.execute(script, keys, args);
}

对应的Java代码如下

private static final DefaultRedisScript<Long> UNLOCK_SCRIPT;

static {
    UNLOCK_SCRIPT = new DefaultRedisScript();
    UNLOCK_SCRIPT.setLocation(new ClassPathResource("unlock.lua"));
    UNLOCK_SCRIPT.setResultType(Long.class);
}

@Override
public void unlock() {
    stringRedisTemplate.execute(UNLOCK_SCRIPT,
            Collections.singletonList(KEY_PREFIX + name),
            ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId());
}

但是现在的分布式锁还存在一个问题：锁不住
- 那什么是锁不住呢？
  - 如果锁的TTL快到期的时候，我们可以给它续期一下，比如续个30s，就好像是网吧上网，快没网费了的时候，让网管再给你续50块钱的，然后该玩玩，程序也继续往下执行
  - 那么续期问题怎么解决呢，可以依赖于我们接下来要学习redission了
小结：基于Redis分布式锁的实现思路
- 利用SET NX EX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自己一致，一致则删除锁
  - 特性
    - 利用SET NX满足互斥性
    - 利用SET EX保证故障时依然能释放锁，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