分布式锁

1、问题描述

随着业务发展的需要,原单体单机部署的系统被演化成分布式集群系统后,由于分布式系统多线程、多进程并且分布在不同机器上,这将使原单机部署情况下的并发控制锁策略失效,单纯的Java API并不能提供分布式锁的能力。为了解决这个问题就需要一种跨JVM的互斥机制来控制共享资源的访问,这就是分布式锁要解决的问题!
分布式锁主流的实现方案:

  1. 基于数据库实现分布式锁
  2. 基于缓存(Redis等)
  3. 基于Zookeeper
    每一种分布式锁解决方案都有各自的优缺点:
  4. 性能:redis最高
  5. 可靠性:zookeeper最高
    这里,我们就基于redis实现分布式锁。

2、解决方案

redis:命令

#set sku:1:info “OK” NX PX 10000

EX second :设置键的过期时间为 second 秒。 SET key value EX second 效果等同于 SETEX key second value 。

PX millisecond :设置键的过期时间为 millisecond 毫秒。 SET key value PX millisecond 效果等同于 PSETEX key millisecond value 。

NX :只在键不存在时,才对键进行设置操作。 SET key value NX 效果等同于 SETNX key value 。

XX :只在键已经存在时,才对键进行设置操作。

  1. 多个客户端同时获取锁(setnx)
  2. 获取成功,执行业务逻辑{从db获取数据,放入缓存},执行完成释放锁(del)
  3. 其他客户端等待重试

3、编写代码

Redis: set num 0

@GetMapping("testLock")
public void testLock(){
//1获取锁,setne
Boolean lock = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock", "111");
//2获取锁成功、查询num的值
if(lock){
Object value = redisTemplate.opsForValue().get("num");
//2.1判断num为空return
if(StringUtils.isEmpty(value)){
return;
}
//2.2有值就转成成int
int num = Integer.parseInt(value+"");
//2.3把redis的num加1
redisTemplate.opsForValue().set("num", ++num);
//2.4释放锁,del
redisTemplate.delete("lock");

}else{
//3获取锁失败、每隔0.1秒再获取
try {
Thread.sleep(100);
testLock();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

重启,服务集群,通过网关压力测试:
ab -n 1000 -c 100 http://192.168.140.1:8080/test/testLock

查看redis中num的值:

基本实现。

问题:setnx刚好获取到锁,业务逻辑出现异常,导致锁无法释放

解决:设置过期时间,自动释放锁。

4、优化之设置锁的过期时间

设置过期时间有两种方式:

  1. 首先想到通过expire设置过期时间(缺乏原子性:如果在setnx和expire之间出现异常,锁也无法释放)
  2. 在set时指定过期时间(推荐)

设置过期时间:

压力测试肯定也没有问题。自行测试
问题:可能会释放其他服务器的锁。

场景:如果业务逻辑的执行时间是7s。执行流程如下

  1. index1业务逻辑没执行完,3秒后锁被自动释放。
  2. index2获取到锁,执行业务逻辑,3秒后锁被自动释放。
  3. index3获取到锁,执行业务逻辑
  4. index1业务逻辑执行完成,开始调用del释放锁,这时释放的是index3的锁,导致index3的业务只执行1s就被别人释放。
    最终等于没锁的情况。

解决:setnx获取锁时,设置一个指定的唯一值(例如:uuid);释放前获取这个值,判断是否自己的锁

5、优化之UUID防误删

问题:删除操作缺乏原子性。

场景:

  1. index1执行删除时,查询到的lock值确实和uuid相等

uuid=v1

set(lock,uuid);

fig:

  1. index1执行删除前,lock刚好过期时间已到,被redis自动释放

在redis中没有了lock,没有了锁。

fig:

  1. index2获取了lock

index2线程获取到了cpu的资源,开始执行方法

uuid=v2

set(lock,uuid);

  1. index1执行删除,此时会把index2的lock删除

index1 因为已经在方法中了,所以不需要重新上锁。index1有执行的权限。index1已经比较完成了,这个时候,开始执行

fig:

删除的index2的锁!

6、优化之LUA脚本保证删除的原子性

@GetMapping("testLockLua")
public void testLockLua() {
//1 声明一个uuid ,将做为一个value 放入我们的key所对应的值中
String uuid = UUID.randomUUID().toString();
//2 定义一个锁:lua 脚本可以使用同一把锁,来实现删除!
String skuId = "25"; // 访问skuId 为25号的商品 100008348542
String locKey = "lock:" + skuId; // 锁住的是每个商品的数据

// 3 获取锁
Boolean lock = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(locKey, uuid, 3, TimeUnit.SECONDS);

// 第一种: lock 与过期时间中间不写任何的代码。
// redisTemplate.expire("lock",10, TimeUnit.SECONDS);//设置过期时间
// 如果true
if (lock) {
// 执行的业务逻辑开始
// 获取缓存中的num 数据
Object value = redisTemplate.opsForValue().get("num");
// 如果是空直接返回
if (StringUtils.isEmpty(value)) {
return;
}
// 不是空 如果说在这出现了异常! 那么delete 就删除失败! 也就是说锁永远存在!
int num = Integer.parseInt(value + "");
// 使num 每次+1 放入缓存
redisTemplate.opsForValue().set("num", String.valueOf(++num));
/使用lua脚本来锁/
// 定义lua 脚本
String script = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
// 使用redis执行lua执行
DefaultRedisScript<Long> redisScript = new DefaultRedisScript<>();
redisScript.setScriptText(script);
// 设置一下返回值类型 为Long
// 因为删除判断的时候,返回的0,给其封装为数据类型。如果不封装那么默认返回String 类型,
// 那么返回字符串与0 会有发生错误。
redisScript.setResultType(Long.class);
// 第一个要是script 脚本 ,第二个需要判断的key,第三个就是key所对应的值。
redisTemplate.execute(redisScript, Arrays.asList(locKey), uuid);
} else {
// 其他线程等待
try {
// 睡眠
Thread.sleep(1000);
// 睡醒了之后,调用方法。
testLockLua();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

Lua 脚本详解:

项目中正确使用:

  1. 定义key,key应该是为每个sku定义的,也就是每个sku有一把锁。

String locKey ="lock:"+skuId; // 锁住的是每个商品的数据
Boolean lock = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(locKey, uuid,3,TimeUnit.SECONDS);

7、总结

1、加锁

// 1. 从redis中获取锁,set k1 v1 px 20000 nx
String uuid = UUID.randomUUID().toString();
Boolean lock = this.redisTemplate.opsForValue()
.setIfAbsent("lock", uuid, 2, TimeUnit.SECONDS);

2、使用lua释放锁

// 2. 释放锁 del
String script = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
// 设置lua脚本返回的数据类型
DefaultRedisScript<Long> redisScript = new DefaultRedisScript<>();
// 设置lua脚本返回类型为Long
redisScript.setResultType(Long.class);
redisScript.setScriptText(script);
redisTemplate.execute(redisScript, Arrays.asList("lock"),uuid);

3、重试

Thread.sleep(500);
testLock();

为了确保分布式锁可用,我们至少要确保锁的实现同时满足以下四个条件:

  • 互斥性。在任意时刻,只有一个客户端能持有锁。
  • 不会发生死锁。即使有一个客户端在持有锁的期间崩溃而没有主动解锁,也能保证后续其他客户端能加锁。
  • 解铃还须系铃人。加锁和解锁必须是同一个客户端,客户端自己不能把别人加的锁给解了。
  • 加锁和解锁必须具有原子性。

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