利用Redis的SetNx一步步实现分布式锁并改进

野性酷女 2024-03-22 13:46 42阅读 0赞

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#### 文章目录 ####

*   *  1 基本原理和实现方式对比
     *  2 Redis分布式锁的实现核心思路
     *  3 利用setnx方法实现分布式锁
     *   *  加锁逻辑
         *  释放锁逻辑
         *  修改业务代码
     *  4 Redis分布式锁误删情况说明
     *  5 解决Redis分布式锁误删问题
     *  6 分布式锁的原子性问题
     *  7 Lua脚本解决多条命令原子性问题
     *  8 利用Java代码调用Lua脚本改造分布式锁
     *  总结：

### 1 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进程可见并且互斥的锁。

分布式锁的核心思想就是让大家都使用同一把锁，只要大家使用的是同一把锁，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

![1653374296906][]

那么分布式锁他应该满足一些什么样的条件呢？

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

![1653381992018][]

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，由于本套视频并不讲解zookeeper的原理和分布式锁的实现，所以不过多阐述

![1653382219377][]

### 2 Redis分布式锁的实现核心思路 ###

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
    
    ![1653382669900][]

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，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，没有抢到锁的哥们，等待一定时间后重试即可

![1653382830810][]

### 3 利用setnx方法实现分布式锁 ###

#### 加锁逻辑 ####

**锁的基本接口**

![1656079017728][]

**SimpleRedisLock**

利用setnx方法进行加锁，同时增加过期时间，防止死锁，此方法可以保证加锁和增加过期时间具有原子性

private static final String KEY_PREFIX="lock:"
    @Override
    public boolean tryLock(long timeoutSec) {
        
        // 获取线程标示
        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);
    }

#### 释放锁逻辑 ####

SimpleRedisLock

释放锁，防止删除别人的锁

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

#### 修改业务代码 ####

@Override
        public Result seckillVoucher(Long voucherId) {
        
            // 1.查询优惠券
            SeckillVoucher voucher = seckillVoucherService.getById(voucherId);
            // 2.判断秒杀是否开始
            if (voucher.getBeginTime().isAfter(LocalDateTime.now())) {
        
                // 尚未开始
                return Result.fail("秒杀尚未开始！");
            }
            // 3.判断秒杀是否已经结束
            if (voucher.getEndTime().isBefore(LocalDateTime.now())) {
        
                // 尚未开始
                return Result.fail("秒杀已经结束！");
            }
            // 4.判断库存是否充足
            if (voucher.getStock() < 1) {
        
                // 库存不足
                return Result.fail("库存不足！");
            }
            Long userId = UserHolder.getUser().getId();
            //创建锁对象(新增代码)
            SimpleRedisLock lock = new SimpleRedisLock("order:" + userId, stringRedisTemplate);
            //获取锁对象
            boolean isLock = lock.tryLock(1200);
    		//加锁失败
            if (!isLock) {
        
                return Result.fail("不允许重复下单");
            }
            try {
        
                //获取代理对象(事务)
                IVoucherOrderService proxy = (IVoucherOrderService) AopContext.currentProxy();
                return proxy.createVoucherOrder(voucherId);
            } finally {
        
                //释放锁
                lock.unlock();
            }
        }

### 4 Redis分布式锁误删情况说明 ###

逻辑说明：

持有锁的线程在锁的内部出现了阻塞，导致他的锁自动释放，这时其他线程，线程2来尝试获得锁，就拿到了这把锁，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，而线程1执行过程中，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，这就是误删别人锁的情况。

![1653385920025][]

解决方案：解决方案就是在每个线程释放锁的时候，去**判断一下当前这把锁是否属于自己**，如果属于自己，则不进行锁的删除，假设还是上边的情况，线程1卡顿，锁自动释放，线程2进入到锁的内部执行逻辑，此时线程1反应过来，然后删除锁，但是线程1，一看当前这把锁不是属于自己，于是不进行删除锁逻辑，当线程2走到删除锁逻辑时，如果没有卡过自动释放锁的时间点，则判断当前这把锁是属于自己的，于是删除这把锁。

### 5 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：在获取锁时存入线程标示（可以用UUID表示）  
在释放锁时先获取锁中的线程标示，判断是否与当前线程标示一致

*  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。

![1653387398820][]

具体代码如下：加锁

private static final String ID_PREFIX = UUID.randomUUID().toString(true) + "-";
    @Override
    public boolean tryLock(long timeoutSec) {
        
       // 获取线程标示
       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);
    }

释放锁

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);
        }
    }

**有关代码实操说明：**

在我们修改完此处代码后，我们重启工程，然后启动两个线程，第一个线程持有锁后，手动释放锁，第二个线程 此时进入到锁内部，再放行第一个线程，此时第一个线程由于锁的value值并非是自己，所以不能释放锁，也就无法删除别人的锁，此时第二个线程能够正确释放锁，通过这个案例初步说明我们解决了锁误删的问题。

### 6 分布式锁的原子性问题 ###

更为极端的误删逻辑说明：

线程1现在持有锁之后，在执行业务逻辑过程中，他正准备删除锁，而且已经走到了条件判断的过程中，比如他已经拿到了当前这把锁确实是属于他自己的，正准备删除锁，但是此时他的锁到期了，那么此时线程2进来，但是线程1他会接着往后执行，当他卡顿结束后，他直接就会执行删除锁那行代码，相当于条件判断并没有起到作用，这就是删锁时的原子性问题，之所以有这个问题，是因为线程1的拿锁，比锁，删锁，实际上并不是原子性的，我们要防止刚才的情况发生，

![1653387764938][]

### 7 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，它的基本语法大家可以参考网站：[https://www.runoob.com/lua/lua-tutorial.html][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，又能保证他的原子性，这样就可以实现拿锁比锁删锁是一个原子性动作了，作为Java程序员这一块并不作一个简单要求，并不需要大家过于精通，只需要知道他有什么作用即可。

这里重点介绍Redis提供的调用函数，语法如下：

redis.call('命令名称', 'key', '其它参数', ...)

例如，我们要执行set name jack，则脚本是这样：

# 执行 set name jack
    redis.call('set', 'name', 'jack')

例如，我们要先执行set name Rose，再执行get name，则脚本如下：

# 先执行 set name jack
    redis.call('set', 'name', 'Rose')
    # 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：

![1653392181413][]

例如，我们要执行 redis.call(‘set’, ‘name’, ‘jack’) 这个脚本，语法如下：

![1653392218531][]

如果脚本中的key、value不想写死，可以作为参数传递。key类型参数会放入KEYS数组，其它参数会放入ARGV数组，在脚本中可以从KEYS和ARGV数组获取这些参数：

![1653392438917][]

接下来我们来回一下我们释放锁的逻辑：

释放锁的业务流程是这样的

1、获取锁中的线程标示

2、判断是否与指定的标示（当前线程标示）一致

3、如果一致则释放锁（删除）

4、如果不一致则什么都不做

如果用Lua脚本来表示则是这样的：

最终我们操作redis的拿锁比锁删锁的lua脚本就会变成这样

-- 这里的 KEYS[1] 就是锁的key，这里的ARGV[1] 就是当前线程标示
    -- 获取锁中的标示，判断是否与当前线程标示一致
    if (redis.call('GET', KEYS[1]) == ARGV[1]) then
      -- 一致，则删除锁
      return redis.call('DEL', KEYS[1])
    end
    -- 不一致，则直接返回
    return 0

### 8 利用Java代码调用Lua脚本改造分布式锁 ###

lua脚本本身并不需要大家花费太多时间去研究，只需要知道如何调用，大致是什么意思即可，所以在笔记中并不会详细的去解释这些lua表达式的含义。

我们的RedisTemplate中，可以利用execute方法去执行lua脚本，参数对应关系就如下图

![1653393304844][]

**Java代码**

private static final DefaultRedisScript<Long> UNLOCK_SCRIPT;
        static {
        
            UNLOCK_SCRIPT = new DefaultRedisScript<>();
            UNLOCK_SCRIPT.setLocation(new ClassPathResource("unlock.lua"));
            UNLOCK_SCRIPT.setResultType(Long.class);
        }
    
    public void unlock() {
        
        // 调用lua脚本
        stringRedisTemplate.execute(
                UNLOCK_SCRIPT,
                Collections.singletonList(KEY_PREFIX + name),
                ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId());
    }
    // 经过以上代码改造后，我们就能够实现 拿锁比锁删锁的原子性动作了~

### 总结： ###

基于Redis的分布式锁实现思路：

*  利用set nx ex获取锁，并设置过期时间，保存线程标示
 *  释放锁时先判断线程标示是否与自己一致，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

笔者总结：我们一路走来，利用添加过期时间，防止死锁问题的发生，但是有了过期时间之后，可能出现误删别人锁的问题，这个问题我们开始是利用删之前 通过拿锁，比锁，删锁这个逻辑来解决的，也就是删之前判断一下当前这把锁是否是属于自己的，但是现在还有原子性问题，也就是我们没法保证拿锁比锁删锁是一个原子性的动作，最后通过lua表达式来解决这个问题

但是目前还剩下一个问题锁不住，什么是锁不住呢，你想一想，如果当过期时间到了之后，我们可以给他续期一下，比如续个30s，就好像是网吧上网， 网费到了之后，然后说，来，网管，再给我来10块的，是不是后边的问题都不会发生了，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啦

**测试逻辑：**

第一个线程进来，得到了锁，手动删除锁，模拟锁超时了，其他线程会执行lua来抢锁，当第一天线程利用lua删除锁时，lua能保证他不能删除他的锁，第二个线程删除锁时，利用lua同样可以保证不会删除别人的锁，同时还能保证原子性。

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[https_www.runoob.com_lua_lua-tutorial.html]: https://www.runoob.com/lua/lua-tutorial.html
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