面试官：项目中如何实现分布式锁？

分布式锁（Distributed Lock）是一种用于分布式系统中的同步机制，主要是为了防止分布式系统中，多个服务实例同时操作一个共享资源所带来的并发安全问题。

分布式锁确保在同一时间只有一个实例操作共享资源，从而保证了数据的安全性。

1.分布式锁实现方案

分布式锁的实现方案有多种，例如以下这几种：

基于数据库实现分布式锁：可以通过数据库的乐观锁或悲观锁实现分布式锁，但是由于数据库的 IO 操作比较慢，不适合高并发场景。
基于 Zookeeper 实现分布式锁：Zookeeper 是一个高可用性的分布式协调服务，可以通过它来实现分布式锁。但是使用 Zookeeper 需要部署额外的服务，增加了系统复杂度。
基于 Redis 实现分布式锁：Redis 是一个高性能的内存数据库，支持分布式部署，可以通过 Redis 的原子操作实现分布式锁，而且具有高性能和高可用性。

综合以上方案来看，基于数据库实现的分布式锁不适用于高并发场景，而基于 Zookeeper 实现的分布式锁又需要额外部署 Zookeeper 服务，增加了运营成本，所以使用 Redis 实现分布式锁是目前主流的实现方案。

2.为什么Redis可以实现分布式锁？

因为 Redis 作为一个独立的第三方系统（数据中间件），其本身就支持分布式应用。也就是针对于 Redis 的所有操作，所有的分布式系统都是全局可见的，如下图所示：

3.Redis如何实现分布式锁？

使用 Redis 实现分布式锁的方案有以下 4 种：

setnx（set if Not eXists）：尝试设置键 key 的值为 value，但如果 key 已经存在，则不会执行任何操作并返回 0，如果 key 不存在则加锁成功。
- 缺陷：存在死锁问题、锁误删问题、不可重入问题、锁无法自动续期问题。
set nx ex/px：setnx 升级版本，Redis 2.6 版本后才能支持此语法。尝试加锁和设置锁超时时间，使用案例 set key value nx px 3000。
- 缺陷：存在锁误删问题、不可重入问题、锁无法自动续期问题。
Lua 脚本：解决锁重入的问题
- 缺陷：实现复杂、且存在锁无法自动续期问题。
Redisson 框架：基于 Redis 实现分布式锁的开源框架。其实现简单、不存在锁重入和锁续期等问题。

问题解释

死锁问题：SETNX 如未设置过期时间，锁忘记删了或加锁线程宕机都会导致死锁，也就是分布式锁一直被占用的情况。
锁误删问题：SETNX 设置了超时时间，但因为执行时间太长，所以在超时时间之内锁已经被自动释放了，但线程不知道，因此在线程执行结束之后，会把其他线程的锁误删的问题。
不可重入问题：也就是说同一线程在已经获取了某个锁的情况下，如果再次请求获取该锁，则请求会失败（因为只有在第一次能加锁成功）。也就是说，一个线程不能对自己已持有的锁进行重复锁定。
无法自动续期：线程在持有锁期间，任务未能执行完成，锁可能会因为超时而自动释放。SETNX 无法自动根据任务的执行情况，设置新的超时实现，以延长锁的时间。

综合以上实现方案来看，生产级别使用 Redis 实现分布式锁的方案，应该选用 Redisson 框架。

4.Redisson介绍

Redisson 是一个开源的用于操作 Redis 的 Java 框架。与 Jedis 和 Lettuce 等轻量级的 Redis 框架不同，它提供了更高级且功能丰富的 Redis 客户端。它提供了许多简化 Redis 操作的高级 API，并支持分布式对象、分布式锁、分布式集合等特性。

Redisson 官网：https://redisson.org/

Redisson 特性说明

Redisson 可以设置分布式锁的过期时间，从而避免锁一直被占用而导致的死锁问题。
Redisson 在为每个锁关联一个线程 ID 和重入次数（递增计数器）作为分布锁 value 的一部分存储在 Redis 中，这样就避免了锁误删和不可重入的问题。
Redisson 还提供了自动续期的功能，通过定时任务（看门狗）定期延长锁的有效期，确保在业务未完成前，锁不会被其他线程获取。

5.Redisson实现分布式锁

1. 添加 Redisson 框架

添加 Redisson 依赖：

<!-- Redisson -->
<!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.redisson/redisson-spring-boot-starter -->
<dependency>
  <groupId>org.redisson</groupId>
  <artifactId>redisson-spring-boot-starter</artifactId>
</dependency>

2. 配置 Redis 连接信息

将 RedissonClient 对象保存到 Spring Ioc 容器，并为其设置 Redis 服务连接信息，具体实现代码如下：

import org.redisson.Redisson;
import org.redisson.api.RedissonClient;
import org.redisson.config.Config;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
@Configuration
public class RedissonConfig {
    @Bean
    public RedissonClient redissonClient() {
        Config config = new Config();
        // 也可以将 redis 配置信息保存到配置文件
        config.useSingleServer().setAddress("redis://127.0.0.1:6379");
        return Redisson.create(config);
    }
}

3. 创建分布式锁

Redisson 分布式锁的操作和 Java 中的 ReentrantLock（可重入锁）的操作很像，都是先使用 tryLock 尝试获取（非公平）锁，再通过 unlock 释放锁，具体实现如下：

import org.redisson.api.RLock;
import org.redisson.api.RedissonClient;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
@RestController
public class LockController {
    @Autowired
    private RedissonClient redissonClient;
    @GetMapping("/lock")
    public String lockResource() throws InterruptedException {
        String lockKey = "myLock";
        // 获取 RLock 对象
        RLock lock = redissonClient.getLock(lockKey);
        try {
            // 尝试获取锁（尝试加锁）（锁超时时间是 30 秒）
            boolean isLocked = lock.tryLock(30, TimeUnit.SECONDS);
            if (isLocked) {
                // 成功获取到锁
                try {
                    // 模拟业务处理
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                    return "成功获取锁，并执行业务代码";
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    // 释放锁
                    lock.unlock();
                }
            } else {
                // 获取锁失败
                return "获取锁失败";
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "获取锁成功";
    }
}

a.实现公平锁

Redisson 默认创建的分布式锁是非公平锁（出于性能的考虑），想要把它变成公平锁可使用以下代码实现：

RLock lock = redissonClient.getFairLock(lockKey);  // 获取公平锁

b.实现读写锁

Redisson 还可以创建读写锁，如下代码所示：

RReadWriteLock lock = redissonClient.getReadWriteLock(lockKey); // 获取读写锁
lock.readLock();  // 读锁
lock.writeLock(); // 写锁

读写锁的特点就是并发性能高，它是允许多个线程同时获取读锁进行读操作的，也就是说在没有写锁的情况下，读取操作可以并发执行，提高了系统的并行度。但写锁则是独占式的，同一时间只有一个线程可以获得写锁，无论是读还是写都无法与写锁并存，这样就确保了数据修改时的数据一致性。

c.实现联锁

Redisson 也支持联锁，也叫分布式多锁 MultiLock，它允许客户端一次性获取多个独立资源（RLock）上的锁，这些资源可能是不同的键或同一键的不同锁。当所有指定的锁都被成功获取后，才会认为整个操作成功锁定。这样能够确保在分布式环境下进行跨资源的并发控制。

联锁的实现示例如下：

// 获取需要加锁的资源
RLock lock1 = redisson.getLock("lock1");
RLock lock2 = redisson.getLock("lock2");
// 联锁
RedissonMultiLock multiLock = new RedissonMultiLock(lock1, lock2);
try {
    // 一次性尝试获取所有锁
    if (multiLock.tryLock()) {
        // 获取锁成功...
    }
} finally {
    // 释放所有锁
    multiLock.unlock();
}

课后思考

说说 Redisson 分布式锁的底层实现原理？Redisson 如何解决分布式锁的单点故障问题？

本文已收录到我的面试小站 www.javacn.site，其中包含的内容有：Redis、JVM、并发、并发、MySQL、Spring、Spring MVC、Spring Boot、Spring Cloud、MyBatis、设计模式、消息队列等模块。

posted @ 2024-09-24 16:34 磊哥|www.javacn.site 阅读(12) 评论(0) 编辑收藏举报

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