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聊聊分散式鎖原理及Redis如何實現分散式鎖

藏色散人
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2023-01-27 07:30:011201瀏覽

本篇文章為大家帶來了關於redis的相關知識，其中主要介紹了關於分散式鎖定是什麼？ Redis又是怎麼實現分散式鎖定的？需要滿足什麼條件？下面一起來看看吧，希望對需要的朋友有幫助。

#一、分散式鎖定基本原理

分散式鎖定：滿足分散式系統或叢集模式下多進程可見且互斥的鎖定。

分散式鎖定應該滿足的條件：

#
  • 可見性：多個執行緒都能看到相同的結果，注意：這個地方說的可見性並不是並發程式設計中指的記憶體可見性，只是說多個進程之間都能感知到變化的意思
  • 互斥：互斥是分散式鎖的最基本的條件，使得程式串列執行
  • 高可用：程式不易崩潰，時時刻刻都保證較高的可用性
  • 高效能：由於加鎖本身就讓效能降低，所有對於分散式鎖定本身需要他就較高的加鎖效能和釋放鎖定效能
  • 安全性：安全性也是程式中不可或缺的一環

常見的分散式鎖定有三種：

  • Mysql：mysql本身就帶有鎖定機制，但由於mysql效能本身一般，所以採用分散式鎖的情況下，其實使用mysql作為分散式鎖比較少見

  • Redis：redis作為分散式鎖是非常常見的一種使用方式，現在企業級開發中基本上都使用redis或zookeeper作為分散式鎖，利用setnx這個方法，如果插入key成功，則表示獲得到了鎖，如果有人插入成功，其他人插入失敗則表示無法獲得到鎖，利用這套邏輯來實現分散式鎖定

  • Zookeeper：zookeeper也是企業級開發中較好的一個實現分散式鎖定的方案

聊聊分散式鎖原理及Redis如何實現分散式鎖

二、基於Redis實作分散式鎖定

實作分散式鎖定時需要實作的兩個基本方法：

  • #取得鎖定：

    • 互斥：確保只能有一個執行緒取得鎖定
    • 非阻塞：嘗試一次，成功回傳true，失敗回傳false

  • 釋放鎖定：

    • 手動釋放
    • #逾時釋放：取得鎖定時新增一個逾時時間

基於Redis實作分散式鎖定原理：

SET resource_name my_random_value NX PX 30000
  • resource_name：資源名稱，可根據不同的業務區分不同的鎖定
  • my_random_value：隨機值，每個執行緒的隨機值都不同，用於釋放鎖定時的校驗
  • NX：key不存在時設定成功，key存在則設定不成功
  • PX：自動失效時間，出現異常情況，鎖可以過期失效

利用NX的原子性，多個執行緒並發時，只有一個執行緒可以設定成功，設定成功表示獲得鎖，可以執行後續的業務處理；如果發生異常，過了鎖的有效期，鎖自動釋放；

版本一

##1、定義ILock介面

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、基於Redis實作分散式鎖定—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();
    }
}

鎖定誤刪問題

問題說明：

持有鎖的線程1在鎖的內部出現了阻塞，這時鎖超時自動釋放，這時線程2嘗試獲得鎖，然後線程2在持有鎖執行過程中，線程1反應過來，繼續執行，走到了刪除鎖定邏輯，此時就會把本來應該屬於執行緒2的鎖進行刪除，這就是鎖定誤刪的情況。

解決方案：

在存入鎖時，放入自己執行緒的標識，在刪除鎖定時，判斷目前這把鎖的標識是不是自己存入的，如果是，則進行刪除，如果不是，則不進行刪除。

版本二：解決鎖定誤刪問題

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();
    }
}

鎖定釋放的原子性問題

問題分析：

上述釋放鎖的程式碼依然有鎖誤刪問題，當執行緒1取得鎖中的執行緒標識，並根據標識判斷是自己的鎖，這時鎖到期自動釋放，恰好執行緒2嘗試取得鎖，並拿到了鎖，此時執行緒1仍執行釋放鎖的操作，就導致誤刪了執行緒2持有的鎖。

原因在於，由java程式實現的釋放鎖定流程不是原子操作，存在線程安全問題。

解決方案：

Redis提供了Lua腳本功能，在一個腳本中寫多條Redis指令，可以確保多條指令執行時的原子性。

版本三：呼叫Lua腳本改造分散式鎖定

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();
    }
}

推薦學習：《

Redis影片教學》

#

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