分布式锁实现

date: 2020-11-25 17:10:00
updated: 2020-11-25 17:40:00

分布式锁实现

电商场景，当用户下单的时候，redis 里库存只有一件，并发执行的时候可能会造成库存超卖问题

通过在执行第二步加锁，可以保证并发请求在下单的时候操作是串行化的，但是并发增多，增加一台机器

此时还是会造成库存超卖问题。原因是：两个系统运行在两个不同的JVM里面，他们加的锁只对属于自己JVM里面的线程有效，对于其他JVM的线程是无效的。即 Java提供的原生锁机制在多机部署场景下失效了

分布式锁：redis 或 zookeeper

1. Redis 实现方式

思路：在redis中设置一个值表示加了锁，然后释放锁的时候就把这个key删除。

// 获取锁
// NX是指如果key不存在就成功，key存在返回false，PX可以指定过期时间
SET anyLock unique_value NX PX 30000


// 释放锁：通过执行一段lua脚本
// 释放锁涉及到两条指令，这两条指令不是原子性的
// 需要用到redis的lua脚本支持特性，redis执行lua脚本是原子性的
if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
return redis.call("del",KEYS[1])
else
return 0
end

需要注意的地方：

1. 一定要用SET key value NX PX milliseconds 命令
   如果不用，先设置了值，再设置过期时间，这个不是原子性操作，有可能在设置过期时间之前宕机，会造成死锁(key永久存在)
2. value 要具有唯一性
   这个是为了在解锁的时候，需要验证value是和加锁的一致才删除key。
   这是避免了一种情况：假设A获取了锁，过期时间30s，此时35s之后，锁已经自动释放了，A去释放锁，但是此时可能B获取了锁。A客户端就不能删除B的锁了。

这样有可能会有一个问题是：设置了key的过期时间，但是业务处理逻辑的时间可能大于过期时间，这样A获取了锁，但是处理超时了，key被过期，B获取了锁，也有可能会恶性循环

组件 Redission 实现

1. redisson所有指令都通过lua脚本执行，redis支持lua脚本原子性执行
2. redisson中有一个watchdog的概念，翻译过来就是看门狗，它会在你获取锁之后，每隔10秒帮你把key的超时时间设为30s。这样的话，就算一直持有锁也不会出现key过期了，其他线程获取到锁的问题了。同时也保证了没有死锁的产生，哪怕机器宕机，key也会在时间到了之后自己过期

// 加锁逻辑
private <T> RFuture<Long> tryAcquireAsync(long leaseTime, TimeUnit unit, final long threadId) {
    if (leaseTime != -1) {
        return tryLockInnerAsync(leaseTime, unit, threadId, RedisCommands.EVAL_LONG);
    }
    // 调用一段lua脚本，设置一些key、过期时间
    RFuture<Long> ttlRemainingFuture = tryLockInnerAsync(commandExecutor.getConnectionManager().getCfg().getLockWatchdogTimeout(), TimeUnit.MILLISECONDS, threadId, RedisCommands.EVAL_LONG);
    ttlRemainingFuture.addListener(new FutureListener<Long>() {
        @Override
        public void operationComplete(Future<Long> future) throws Exception {
            if (!future.isSuccess()) {
                return;
            }

            Long ttlRemaining = future.getNow();
            // lock acquired
            if (ttlRemaining == null) {
                // 看门狗逻辑
                scheduleExpirationRenewal(threadId);
            }
        }
    });
    return ttlRemainingFuture;
}


<T> RFuture<T> tryLockInnerAsync(long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId, RedisStrictCommand<T> command) {
    internalLockLeaseTime = unit.toMillis(leaseTime);

    return commandExecutor.evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, command,
              "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then " +
                  "redis.call('hset', KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
                  "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +
                  "return nil; " +
              "end; " +
              "if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then " +
                  "redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
                  "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +
                  "return nil; " +
              "end; " +
              "return redis.call('pttl', KEYS[1]);",
                Collections.<Object>singletonList(getName()), internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));
}



// 看门狗最终会调用了这里
private void scheduleExpirationRenewal(final long threadId) {
    if (expirationRenewalMap.containsKey(getEntryName())) {
        return;
    }

    // 这个任务会延迟10s执行
    Timeout task = commandExecutor.getConnectionManager().newTimeout(new TimerTask() {
        @Override
        public void run(Timeout timeout) throws Exception {

            // 这个操作会将key的过期时间重新设置为30s
            RFuture<Boolean> future = renewExpirationAsync(threadId);

            future.addListener(new FutureListener<Boolean>() {
                @Override
                public void operationComplete(Future<Boolean> future) throws Exception {
                    expirationRenewalMap.remove(getEntryName());
                    if (!future.isSuccess()) {
                        log.error("Can't update lock " + getName() + " expiration", future.cause());
                        return;
                    }

                    if (future.getNow()) {
                        // reschedule itself
                        // 通过递归调用本方法，无限循环延长过期时间
                        scheduleExpirationRenewal(threadId);
                    }
                }
            });
        }

    }, internalLockLeaseTime / 3, TimeUnit.MILLISECONDS);

    if (expirationRenewalMap.putIfAbsent(getEntryName(), new ExpirationEntry(threadId, task)) != null) {
        task.cancel();
    }
}

2. ZooKeeper 实现方式

Zookeeper是一种提供配置管理、分布式协同以及命名的中心化服务。

zk的模型是这样的：zk包含一系列的节点，叫做znode，就好像文件系统一样每个znode表示一个目录，然后znode有一些特性：

• 有序节点
  • 假如当前有一个父节点为/lock，我们可以在这个父节点下面创建子节点
    zookeeper提供了一个可选的有序特性，例如我们可以创建子节点“/lock/node-”并且指明有序，那么zookeeper在生成子节点时会根据当前的子节点数量自动添加整数序号
    也就是说，如果是第一个创建的子节点，那么生成的子节点为/lock/node-0000000000，下一个节点则为/lock/node-0000000001，依次类推。
• 临时节点
  • 客户端可以建立一个临时节点，在会话结束或者会话超时后，zookeeper会自动删除该节点。
• 事件监听
  • 在读取数据时，我们可以同时对节点设置事件监听，当节点数据或结构变化时，zookeeper会通知客户端。当前zookeeper有如下四种事件：
    • 节点创建
    • 节点删除
    • 节点数据修改
    • 子节点变更

实现分布式锁的思路

1. 使用zk的临时节点和有序节点，每个线程获取锁就是在zk创建一个临时有序的节点，比如在/lock/目录下。
2. 创建节点成功后，获取/lock目录下的所有临时节点，再判断当前线程创建的节点是否是所有的节点的序号最小的节点
3. 如果当前线程创建的节点是所有节点序号最小的节点，则认为获取锁成功。
4. 如果当前线程创建的节点不是所有节点序号最小的节点，则对节点序号的前一个节点添加一个事件监听。

比如当前线程获取到的节点序号为 /lock/003，然后所有的节点列表为[/lock/001,/lock/002,/lock/003]，则对/lock/002这个节点添加一个事件监听器。
如果锁释放了，会唤醒下一个序号的节点，然后重新执行第3步，判断是否自己的节点序号是最小。比如/lock/001释放了，/lock/002监听到事件，此时节点集合为[/lock/002,/lock/003]，则/lock/002为最小序号节点，获取到锁。