【分布式锁】Redis实现可重入的分布式锁

一、前言

  之前写的一篇文章《细说分布式锁》介绍了分布式锁的三种实现方式，但是Redis实现分布式锁关于Lua脚本实现、自定义分布式锁注解以及需要注意的问题都没描述。本文就是详细说明如何利用Redis实现重入的分布式锁。

二、方案

死锁问题

  当一个客户端获取锁成功之后，假如它崩溃了导致它再也无法和 Redis 节点通信，那么它就会一直持有这个锁，导致其它客户端永远无法获得锁了，因此锁必须要有一个自动释放的时间。
  我们需要保证setnx命令和expire命令以原子的方式执行，否则如果客户端执行setnx获得锁后，这时客户端宕机了，那么这把锁没有设置过期时间，导致其他客户端永远无法获得锁了。

锁被其他线程释放

  如果不加任何处理即简单使用 SETNX 实现 Redis 分布式锁，就会遇到一个问题：如果线程 C1 获得锁，但由于业务处理时间过长，锁在线程 C1 还未处理完业务之前已经过期了，这时线程 C2 获得锁，在线程 C2 处理业务期间线程 C1 完成业务执行释放锁操作，但这时线程 C2 仍在处理业务线程 C1 释放了线程 C2 的锁，导致线程 C2 业务处理实际上没有锁提供保护机制；同理线程 C2 可能释放线程 C3 的锁，从而导致严重的问题。
  因此每个线程释放锁的时候只能释放自己的锁，即锁必须要有一个拥有者的标记，并且也需要保证释放锁的原子性操作。
  在释放锁的时候判断拥有者的标记（value是否相同），只有相同时才可以删除，同时利用Lua脚本来达到原子操作，脚本如下：

1. if redis.call("get", KEYS[1]) == ARGV[1] then 

   ---

2. return redis.call("del", KEYS[1]) 

   ---

3. else 

   ---

4. return 0 

   ---

5. end 

   ---

可重入问题

可重入锁指的是可重复可递归调用的锁，在外层使用锁之后，在内层仍然可以使用，如果没有可重入锁的支持，在第二次尝试获得锁时将会进入死锁状态。
这里有两种解决方案：

1. 客户端在获得锁后保存value（拥有者标记），然后释放锁的时候将value和key同时传过去。
2. 利用ThreadLocal实现，获取锁后将Redis中的value保存在ThreadLocal中，同一线程再次尝试获取锁的时候就先将 ThreadLocal 中的 值 与 Redis 的 value 比较，如果相同则表示这把锁所以该线程，即实现可重入锁。

这里的实现的方案是基于单机Redis，之前说的集群问题这里暂不考虑。

三、编码

我们通过自定义分布式锁注解+AOP可以更加方便的使用分布式锁，只需要在加锁的方法上加上注解即可。
Redis分布式锁接口

/**
 * Redis分布式锁接口
 * Created by 2YSP on 2019/9/20.
 */
public interface IRedisDistributedLock {
 
  /**
   *
   * @param key
   * @param requireTimeOut 获取锁超时时间 单位ms
   * @param lockTimeOut 锁过期时间，一定要大于业务执行时间 单位ms
   * @param retries 尝试获取锁的最大次数
   * @return
   */
  boolean lock(String key, long requireTimeOut, long lockTimeOut, int retries);
 
  /**
   * 释放锁
   * @param key
   * @return
   */
  boolean release(String key);
 
}

Redis 分布式锁实现类

/**
 * Redis 分布式锁实现类
 * Created by 2YSP on 2019/9/20.
 */
@Slf4j
@Component
public class RedisDistributedLockImpl implements IRedisDistributedLock {
 
  /**
   * key前缀
   */
  public static final String PREFIX = "Lock:";
  /**
   * 保存锁的value
   */
  private ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();
 
  private static final Charset UTF8 = Charset.forName("UTF-8");
  /**
   * 释放锁脚本
   */
  private static final String UNLOCK_LUA;
 
  /*
   * 释放锁脚本，原子操作
   */
  static {
    StringBuilder sb = new StringBuilder();
    sb.append("if redis.call(\"get\",KEYS[1]) == ARGV[1] ");
    sb.append("then ");
    sb.append("    return redis.call(\"del\",KEYS[1]) ");
    sb.append("else ");
    sb.append("    return 0 ");
    sb.append("end ");
    UNLOCK_LUA = sb.toString();
  }
 
  @Autowired
  private RedisTemplate redisTemplate;
 
  @Override
  public boolean lock(String key, long requireTimeOut, long lockTimeOut, int retries) {
    //可重入锁判断
    String originValue = threadLocal.get();
    if (!StringUtils.isBlank(originValue) && isReentrantLock(key, originValue)) {
      return true;
    }
    String value = UUID.randomUUID().toString();
    long end = System.currentTimeMillis() + requireTimeOut;
    int retryTimes = 1;
 
    try {
      while (System.currentTimeMillis() < end) {
        if (retryTimes > retries) {
          log.error(" require lock failed,retry times [{}]", retries);
          return false;
        }
        if (setNX(wrapLockKey(key), value, lockTimeOut)) {
          threadLocal.set(value);
          return true;
        }
        // 休眠10ms
        Thread.sleep(10);
 
        retryTimes++;
      }
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
    return false;
  }
 
  private boolean setNX(String key, String value, long expire) {
    /**
     * List设置lua的keys
     */
    List<String> keyList = new ArrayList<>();
    keyList.add(key);
    return (boolean) redisTemplate.execute((RedisCallback<Boolean>) connection -> {
      Boolean result = connection
          .set(key.getBytes(UTF8),
              value.getBytes(UTF8),
              Expiration.milliseconds(expire),
              SetOption.SET_IF_ABSENT);
      return result;
    });
 
  }
 
  /**
   * 是否为重入锁
   */
  private boolean isReentrantLock(String key, String originValue) {
    String v = (String) redisTemplate.opsForValue().get(key);
    return v != null && originValue.equals(v);
  }
 
  @Override
  public boolean release(String key) {
    String originValue = threadLocal.get();
    if (StringUtils.isBlank(originValue)) {
      return false;
    }
    return (boolean) redisTemplate.execute((RedisCallback<Boolean>) connection -> {
      return connection
          .eval(UNLOCK_LUA.getBytes(UTF8), ReturnType.BOOLEAN, 1, wrapLockKey(key).getBytes(UTF8),
              originValue.getBytes(UTF8));
    });
  }
 
 
  private String wrapLockKey(String key) {
    return PREFIX + key;
  }
}

分布式锁注解

@Retention(value = RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface DistributedLock {
 
  /**
   * 默认包名加方法名
   * @return
   */
  String key() default "";
 
  /**
   * 过期时间 单位：毫秒
   * <pre>
   *     过期时间一定是要长于业务的执行时间.
   * </pre>
   */
  long expire() default 30000;
 
  /**
   * 获取锁超时时间 单位：毫秒
   * <pre>
   *     结合业务,建议该时间不宜设置过长,特别在并发高的情况下.
   * </pre>
   */
  long timeout() default 3000;
 
  /**
   * 默认重试次数
   * @return
   */
  int retryTimes() default Integer.MAX_VALUE;
 
}

aop切片类

@Component
@Aspect
@Slf4j
public class RedisLockAop {
 
  @Autowired
  private IRedisDistributedLock redisDistributedLock;
 
 
  @Around(value = "@annotation(lock)")
  public Object doAroundAdvice(ProceedingJoinPoint proceedingJoinPoint, DistributedLock lock) {
    // 加锁
    String key = getKey(proceedingJoinPoint, lock);
    Boolean success = null;
    try {
        success = redisDistributedLock
          .lock(key, lock.timeout(), lock.expire(), lock.retryTimes());
      if (success) {
        log.info(Thread.currentThread().getName() + " 加锁成功");
        return proceedingJoinPoint.proceed();
      }
      log.info(Thread.currentThread().getName() + " 加锁失败");
      return null;
    } catch (Throwable throwable) {
      throwable.printStackTrace();
      return null;
    } finally {
      if (success){
        boolean result = redisDistributedLock.release(key);
        log.info(Thread.currentThread().getName() + " 释放锁结果:{}",result);
      }
    }
  }
 
  private String getKey(JoinPoint joinPoint, DistributedLock lock) {
    if (!StringUtils.isBlank(lock.key())) {
      return lock.key();
    }
    return joinPoint.getSignature().getDeclaringTypeName() + "." + joinPoint.getSignature()
        .getName();
  }
}
 

业务逻辑处理类

@Service
public class TestService {
 
  @DistributedLock(retryTimes = 1000,timeout = 1000)
  public String lockTest() {
    try {
      System.out.println("模拟执行业务逻辑。。。");
      Thread.sleep(100);
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
      return "error";
    }
 
    return "ok";
  }
}

四、测试

1. 启动本地redis，启动项目
2. 打开cmd，利用ab压力测试设置3个线程100个请求。

ab -c 3 -n 100 http://localhost:8000/lock/test

idea控制台输出如下：

 

enter description here

 

至此大功告成，代码地址。

ps: 遇到一个奇怪的问题，我用 RedisTemplate.execute(RedisScript script, List keys, Object... args) 这个方法，通过加载resource目录下的lua脚本来释放锁的时候一直不成功，参数没任何问题，而且我之前的文章就是用这个方法可以正确的释放锁。