【redis】分布式锁实现，与分布式定时任务

如果你还不知道redis的基本命令与基本使用方法，请看

【redis】redis基础命令学习集合

写在前面

redis辣么多数据结构，这么多命令，具体一点，都可以应用在什么场景呢？用来解决什么具体的问题？

分布式锁

redis是网络单线程的，它只有一个线程负责接受请求，这个特性即降低了redis本身的开发成本，也提高了redis的可用性。

分布式环境下，数据一致性问题一直是一个比较重要的话题，分布式与单机情况下最大的不同在于其不是多线程而是多进程。

多线程由于可以共享堆内存，因此可以简单的采取内存作为标记存储位置，例如cas，java的synchronize。而进程之间可能不在同一台物理机上，因此需要将标记存储在一个所有进程都能看到的地方。

常见的场景，秒杀场景中的库存超卖问题、多机定时任务的并发执行问题等。

库存超卖问题

假如订单服务部署了多个实例。

现在做一个商品秒杀活动，商品一共只有2个，同时购买的用户则可能有几千上万。

理想状态下第一个和第二个用户能购买成功，其他用户提示购买失败，

实际可能出现的情况是，多个用户都同时查到商品还没卖完，第一个用户买到，更新库存之前，第二个用户又下了订单，导致出错。

下面用java代码做一个演示：

java实例都可以被正常运行在jdk1.8+，使用jedis连接redis实例

import redis.clients.jedis.Jedis;
import redis.clients.jedis.JedisPool;
import redis.clients.jedis.JedisPoolConfig;
/**
 * JedisPool连接
 * @author taifeng zhang
 * */
public class JedisPoolConnect {
    public static JedisPool jedispool;

    /**
     * 连接并返回jedis实例
     * */
    public static Jedis connectJedis () {
        if (jedispool == null) {
            JedisPoolConfig jedisPoolConfig = new JedisPoolConfig();
            jedisPoolConfig.setMinIdle(1);
            jedisPoolConfig.setMaxIdle(10);
            jedisPoolConfig.setTestOnBorrow(true);
            jedispool = new JedisPool(jedisPoolConfig, "127.0.0.1", 6379);
        }
        return jedispool.getResource();
    }
}
import redis.clients.jedis.*;
import redis.clients.jedis.Jedis;

/**
 *  一个简单的超卖演示程序
 * */
public class MarketWrong {
    public static String GOODS_LEN_KEY = "jedis:market:demo";
    private final Integer DECR_THREAD_LEN = 16;

    public void superMarket () {

        // 开线程去减库存
        int i = DECR_THREAD_LEN;
        while (i > 0) {

            new Thread(() -> {

                boolean hasGoods = true;
                while (hasGoods) { // 当库存大于0的时候

                    int goodsLen = getGoodsLen();
                    if (goodsLen > 0) {
                        decrGoodsLen(); // 一般进来之后就直接减去库存了


                        System.out.println("现在库存为" + getGoodsLen());
                        try {
                            Thread.sleep(100); //模拟中间处理流程
                        } catch (Exception e) {
                            System.out.println("执行减库存错误" + e.getMessage() + e.getLocalizedMessage() + e.getStackTrace());
                        } finally {
                            // 最后逻辑
                        }

                    } else {
                        System.out.println("======卖完啦=======");
                        hasGoods = false;
                    }

                }

            }).start();

            i--;
        }
    }

    public void setGoodsLen (Integer len) {
        Jedis jedis = JedisPoolConnect.connectJedis();
        try {
            jedis.set(GOODS_LEN_KEY, String.valueOf(len));
        } finally {
            jedis.close();
        }

    }

    private Integer getGoodsLen () {
        Jedis jedis = JedisPoolConnect.connectJedis();
        try {
            String val = jedis.get(GOODS_LEN_KEY);
            if (val != null) {
                return Integer.parseInt(val);
            }
        } finally {
            jedis.close();
        }
        return 0;
    }

    private void decrGoodsLen () {
        Jedis jedis = JedisPoolConnect.connectJedis();
        try {
            // 库存减1
            jedis.decr(GOODS_LEN_KEY);
        } finally {
            jedis.close();
        }
    }
}

用junit测试上面的代码：

import org.junit.Test;
import org.springframework.boot.test.context.SpringBootTest;

@SpringBootTest
public class MarketWrongTests {
    /**
     * 测试超卖小程序
     */
    @Test
    public void superMarket () throws Exception {
        MarketWrong marketWrong = new MarketWrong();
        // 这次就卖500件吧
        marketWrong.setGoodsLen(500);
        marketWrong.superMarket();
        Thread.sleep(60000); // 卖一分钟
    }
}

运行输出，每次库存都会变为负数，开了16个线程同时买东西：

// 省略了几万行
现在库存为8
现在库存为8
现在库存为4
现在库存为4
现在库存为4
现在库存为4
现在库存为3
现在库存为-5
现在库存为-5
现在库存为-5
现在库存为-5
现在库存为-5
现在库存为-5
现在库存为-5
现在库存为-5
======卖完啦=======
======卖完啦=======
======卖完啦=======

上面的代码示例中，库存数据是共享资源（存到redis了，相当于数据库），面对高并发情形，需要保证对资源的访问次序。在单机环境Java提供基于内存的锁来处理并发问题，但是这些API在分布式场景中就无能为力了。也就是说单纯的内存锁并不能提供这种多机器并发服务的能力。分布式系统中，由于分布式系统的分布性，即多线程和多进程并且分布在不同机器中，synchronized和lock这两种锁将失去原有锁的效果，需要我们自己实现分布式锁。

也就是说库存的递减必须是顺序的

常见的锁方案如下：

基于数据库实现分布式锁基于缓存，实现分布式锁，如redis 基于Zookeeper实现分布式锁

下面实现一个redis的锁，剖析一把redis是如何实现分布式锁的：

import redis.clients.jedis.Jedis;
import redis.clients.jedis.JedisCluster;
import redis.clients.jedis.JedisPool;
import redis.clients.jedis.JedisPoolConfig;
import redis.clients.jedis.params.SetParams;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;

/**
 * redis锁实现
 * @author taifeng zhang
 * */
public class RedisLock {
    private static String REDIS_LOCK_KEY = "redis:lock:key";
    /**
     *设置lockkey
     * */
    public static void setRedisLockKey(String redisLockKey) {
        REDIS_LOCK_KEY = redisLockKey;
    }
    /**
     * 尝试获取锁
     * @param ov 可以指定一个锁标识，锁的唯一值，区分每个锁的所有者身份
     * @param timeout 获取锁的超时时间
     * */
    public boolean tryLock (String ov, int timeout) {
        Jedis jedis = JedisPoolConnect.connectJedis();
        try {
            // set nx ex
            SetParams setParams = new SetParams();
            setParams.nx();
            setParams.ex(timeout);
            Object val = jedis.set(REDIS_LOCK_KEY, ov, setParams); // set [key] nx ex [timeout]
            return val != null;
        } finally {
            jedis.close();
        }
    }
    /**
     * 使用lua脚本释放锁
     * @param ov 释放之前先确定解锁人的身份，所以要用到lua的原子特性
     * */
    public boolean tryUnlock (String ov) {
        Jedis jedis = JedisPoolConnect.connectJedis();
        try {
            String DISTRIBUTE_LOCK_SCRIPT_UNLOCK_VAL = "if (redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1]) then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
            String sha1 = jedis.scriptLoad(DISTRIBUTE_LOCK_SCRIPT_UNLOCK_VAL);
            String[] keys = {REDIS_LOCK_KEY};
            String[] args = {ov};
            Integer val = Integer.parseInt(jedis.evalsha(sha1,new ArrayList<>(Arrays.asList(keys)),new ArrayList<>(Arrays.asList(args))).toString());
            return val > 0;
        } finally {
            jedis.close();
        }
    }
}

实现原则有几点： 1、原子相关操作步骤必须全部包括在锁内 2、每个锁都有一个唯一的value，标识加锁人的身份。 3、加超时时间防止死锁（超时时间要合理）

加锁代码解析

/**
* 尝试获取锁
* @param ov 可以指定一个锁标识，锁的唯一值，区分每个锁的所有者身份
* @param timeout 获取锁的超时时间
* */
public boolean tryLock (String ov, int timeout) {
    Jedis jedis = JedisPoolConnect.connectJedis();
    try {
        // set nx ex
        SetParams setParams = new SetParams();
        setParams.nx();
        setParams.ex(timeout);
        Object val = jedis.set(REDIS_LOCK_KEY, ov, setParams); // 用 set [key] nx ex [timeout] 命令模拟加锁
        return val != null;
    } finally {
        jedis.close();
    }
}

加锁的代码很简单，其实就是利用redis命令 set [key] nx ex [timeout] 的特性，已有值的时候返回值为nil，如果执行这个命令的结果是null，那就可以认为资源已经被上锁

同时，set也将REDIS_LOCK_KEY设置为一个唯一值，在解锁的时候或者锁重入的时候判断身份使用。

解锁代码解析

/**
* 使用lua脚本释放锁
* @param ov 释放之前先确定解锁人的身份，所以要用到lua的原子特性
* */
public boolean tryUnlock (String ov) {
    Jedis jedis = JedisPoolConnect.connectJedis();
    try {
        String DISTRIBUTE_LOCK_SCRIPT_UNLOCK_VAL = "if (redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1]) then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
        String sha1 = jedis.scriptLoad(DISTRIBUTE_LOCK_SCRIPT_UNLOCK_VAL);
        String[] keys = {REDIS_LOCK_KEY};
        String[] args = {ov};
        Integer val = Integer.parseInt(jedis.evalsha(sha1,new ArrayList<>(Arrays.asList(keys)),new ArrayList<>(Arrays.asList(args))).toString());
        return val > 0;
    } finally {
        jedis.close();
    }
}

解锁代码的精髓是这句lua脚本：

if (redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1]) then
    return redis.call('del', KEYS[1])
else return 0

从redis读取key的值，如果它等于传入的唯一key，则可以释放锁，否则返回0

为什么要检查唯一key再释放锁呢？主要是为了这么一个场景：

A用户来获取了锁
B用户来获取锁，锁已经被a拿走了，等待锁
A用户可能因为突然发生网络延迟，超过了超时时间，这时候锁因为超时自动释放了。
B用户获取了锁
A用户这时候网络恢复了。。。这时候A用户要释放锁，如果释放成功就会导致连锁反应，b用户被解锁，b又可能去解锁c
所以每次加锁解锁都需要验证获取锁的用户身份，一般存放在key的value里面，在释放锁之前先检查，也就是 check and set

锁的重入

上面谈到，我们记录了每个锁的用户身份，那是不是同一个用户一次操作需要两次锁，是可以重用的呢？

答案是ok的

我们可以在trylock中加一个lua脚本用来先check 再 set，如果判断check与用户符合，则直接返回true就可以了。

public boolean tryLock (String ov, int timeout) {
    Jedis jedis = JedisPoolConnect.connectJedis();
    try {
        // 加上锁的重入特性
        String DISTRIBUTE_LOCK_SCRIPT_UNLOCK_VAL = "if (redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1]) then return 1 else return 0 end"; // 如果当前锁的值等于ov的话，认为来获取锁的还是同一个人
        String sha1 = jedis.scriptLoad(DISTRIBUTE_LOCK_SCRIPT_UNLOCK_VAL);
        String[] keys = {REDIS_LOCK_KEY};
        String[] args = {ov};
        Integer val = Integer.parseInt(jedis.evalsha(sha1,new ArrayList<>(Arrays.asList(keys)),new ArrayList<>(Arrays.asList(args))).toString());
        if (val > 0) { // 判定成功后，锁就重入了，即无需第二次获取锁
            return true;
        }

        // set nx ex
        SetParams setParams = new SetParams();
        setParams.nx();
        setParams.ex(timeout);
        Object val = jedis.set(REDIS_LOCK_KEY, ov, setParams); // set [key] nx ex [timeout]
        return val != null;
    } finally {
        jedis.close();
    }
}

最后我们看看关于超卖问题，我们将代码加上锁注意两个todo的地方。

import redis.clients.jedis.*;
import redis.clients.jedis.Jedis;
public class MarketWrong {
    public static String GOODS_LEN_KEY = "jedis:market:demo";
    private final Integer DECR_THREAD_LEN = 16;
    RedisLock redisLock = new RedisLock();

    public void superMarket () {

        // 开线程去减库存
        int i = DECR_THREAD_LEN;
        while (i > 0) {
            int whilekey = i;
            new Thread(() -> {
                int n;
                int j = 0;
                boolean hasGoods = true;
                while (hasGoods) { // 当库存大于0的时候
                    String ov = whilekey + "-" + j;
                    // todo 加锁
                    while (!redisLock.tryLock(ov, 20)) { // 如果获取不到锁就等待
                    }

                    int goodsLen = getGoodsLen();
                    if (goodsLen > 0) {
                        decrGoodsLen(); // 一般进来之后就直接减去库存了
                        System.out.println("现在库存为" + getGoodsLen());

                        redisLock.tryUnlock(ov); // todo 解除锁

                        try {
                            Thread.sleep(100); //模拟中间处理流程
                        } catch (Exception e) {
                            System.out.println("执行减库存错误" + e.getMessage() + e.getLocalizedMessage() + e.getStackTrace());
                        } finally {
                            // 最后逻辑
                        }

                    } else {
                        System.out.println("======卖完啦=======");
                        hasGoods = false;
                    }
                    j++; // 需要这个用来生成ov，相当于模拟每一个买家的id
                }
            }).start();
            i--;
        }
    }
    /**
     *  一个简单的超卖演示程序
     * */
    public void setGoodsLen (Integer len) {
        Jedis jedis = JedisPoolConnect.connectJedis();
        try {
            jedis.set(GOODS_LEN_KEY, String.valueOf(len));
        } finally {
            jedis.close();
        }

    }

    private Integer getGoodsLen () {
        Jedis jedis = JedisPoolConnect.connectJedis();
        try {
            String val = jedis.get(GOODS_LEN_KEY);
            if (val != null) {
                return Integer.parseInt(val);
            }
        } finally {
            jedis.close();
        }
        return 0;
    }

    private void decrGoodsLen () {
        Jedis jedis = JedisPoolConnect.connectJedis();
        try {
            // 库存减1
            jedis.decr(GOODS_LEN_KEY);
        } finally {
            jedis.close();
        }
    }
}

加上锁之后再测试，超卖问题已解决,注意现在的输出是线性递增的，因为开线程的模拟方式就是并发处理，每次16个线程几乎是同时进行的，所以在没有锁的时候，并发读取的goodslen很有可能都是16个线程一样的。

所以redis的这个锁的实现也叫：分布式互斥锁

现在库存为8
现在库存为7
现在库存为6
现在库存为5
现在库存为4
现在库存为3
现在库存为2
现在库存为1
现在库存为0
======卖完啦=======
======卖完啦=======
======卖完啦=======

redis实现的分布式互斥锁并不完美，但在大多数应用场景下够用了，另外还可以使用zookeeper甚至mysql来实现。

分布式定时任务问题

分布式场景下，还有另外一个问题--定时任务并发问题，当我们的应用采用分布式部署的时候，就必然会有各种定时任务被部署到不同的机器实例上，如果两台机器同时运行同一个定时任务的话，任务就执行了两次。

这个问题可能更复杂一点，仅仅是加一个锁有可能会坏事儿，因为定时任务的多机分布会产生几个需要解决的问题：

多台机器的时间一致性问题

如果多台机器的时区不一致，那锁基本上无从谈起了。或者时区一致，但可能服务器时间相差几秒钟，那么也有可能导致锁丢失。
锁未释放问题（服务器宕机怎么办）

那么如果serverA在加锁的过程中，出现宕机怎么办，是否会一直处于加锁状态
命名空间问题

每个定时任务应该有不同的锁命名，防止出现同名锁。

还是让我们看一个java代码的例子注意，redis连接和锁代码有复用上面一节的

import org.springframework.scheduling.annotation.EnableScheduling;
import org.springframework.scheduling.annotation.Scheduled;
import org.springframework.stereotype.Component;
import redis.clients.jedis.Jedis;

@Component
@EnableScheduling
public class ScheduleDemo {
    private String sourceKey = "redis:schedule:test:key";
    private void sendEmail (String serviceKey) throws InterruptedException {
        Jedis jedis = JedisPoolConnect.connectJedis();
        try {
            Integer sendPatch = 0; // 从redis读取来模拟发送的批次
            Object val = jedis.get(sourceKey);
            if (val != null) {
                sendPatch = Integer.parseInt(val.toString());
            }

            Thread.sleep(2000);
            System.out.println("批次[" + sendPatch +"]====发送邮件====" + serviceKey);
            jedis.incr(sourceKey); // 批次加1
        } finally {
            jedis.close();
        }

    }

    // 模拟service
    @Scheduled(cron = "0 27 09 * * ?") // 【cron改为后面的时间】
    public void serviceA () throws InterruptedException {
        this.sendEmail("service");
    }
}

将这段代码打开两个实例运行【ps，你可以在idea中右上角直接配两个config就可以了】

看运行结果：

邮件1被同时发送了两次，这是不可接受的。

ok，有的同学现在就想到了，加个锁就完事了

我们将发送代码加上一个锁解决这个问题：在sendmail里加一个redis分布式锁

private void sendEmail (String serviceKey) throws InterruptedException {

    if (!redisLock.tryLock(serviceKey, 30)) {
        return; // todo 获取不到锁就取消，同一个定时任务只需要执行一次
    }

    Jedis jedis = JedisPoolConnect.connectJedis();
    try {
        Integer sendPatch = 0; // 从redis读取来模拟发送的批次
        Object val = jedis.get(sourceKey);
        if (val != null) {
            sendPatch = Integer.parseInt(val.toString());
        }

        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("批次[" + sendPatch +"]====发送邮件====" + serviceKey);
        jedis.incr(sourceKey); // 批次加1

        redisLock.tryUnlock(serviceKey); // todo 解锁

    } finally {
        jedis.close();
    }

}

如果获取不到锁，那么取消这个任务的执行，看起来很完美对不对？

实际上没有解决的问题还有很多。

多个定时任务的多个并发执行sendmail，key如何保证唯一？

可以使用实例的ip+端口做唯一key，这样能够保证多个实例的唯一性

两台服务器时间差超过30s怎么办？

通过中间媒介来确定时间。或者在服务器中杜绝这个问题

最重要的问题还是在于，两台服务器的时间有可能有细微差别，他们本身就有可能不是并发的

这一点在分布式定时任务领域里很重要。

仅仅是加了一个同步锁是远远不够的

解决方案可以是根据业务的不同来设置不同的锁超时时间，例如某个业务定时任务，每天只可以执行一次，那么将超时时间设置为1个小时最保险，如果某个定时任务每分钟执行，执行操作时间大约20s，那你可以将超时时间设置成30s。

另一个解决方案是设置一个统一的、中心级别的定时任务，任务负责派发消息，通过消息队列的方式来做定时，这里就不细表，这种方式比较适合异构、或者跨网络、跨机房级别的分布式。

可以对redis锁做一次小小的改版升级，使用aop加注解来完成锁的配置：

我们定义一个方法级别的aop注解

import java.lang.annotation.ElementType;
import java.lang.annotation.Retention;
import java.lang.annotation.RetentionPolicy;
import java.lang.annotation.Target;

/**
 * redis lock
 * @author taifeng zhang
 * */
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface RedisLockAop {
    String key();
    /**
     * 两种类型可选
     * wait = 等待锁
     * return = 取消执行
     * */
    String type() default "wait";
    int timeout() default 30;
}

然后通过aop，去为加了注解的方法做锁操作

import com.halfway.halfway.redis.RedisLock;
import org.aspectj.lang.ProceedingJoinPoint;
import org.aspectj.lang.annotation.After;
import org.aspectj.lang.annotation.Around;
import org.aspectj.lang.annotation.Aspect;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.stereotype.Component;

/**
 * redislock aop实现
 * @author by taifeng zhang
 * */
@Component
@Aspect
public class RedisLockAopAspect {
    private RedisLock redisLock = new RedisLock();
    @Around("@within(com.halfway.halfway.redis.lockAop.RedisLockAop) && @annotation(lock)")
    public Object excuteAop (ProceedingJoinPoint pjp, RedisLockAop lock) throws Throwable {
        if ("wait".equals(lock.type())) {
            while (!redisLock.tryLock(lock.key(), lock.timeout())) {} // todo 等待锁
        } else if ("return".equals(lock.type())) {
            if (!redisLock.tryLock(lock.key(), lock.timeout())) {
                return null; // todo 取消执行
            }
        } else {
            throw new NullPointerException("type只可以是wait或者return");
        }
        Object val = pjp.proceed();
        redisLock.tryUnlock(lock.key());
        return val;
    }
}

这个方式的好处是锁与代码解耦，无需关注锁的内部实现变化

@Scheduled(cron = "0/30 * * * * ?")
@RedisLockAop(key = "serviceIp:port", type="return", timeout=15)
public void serviceA () throws InterruptedException {
    this.sendEmail("service");
}

...持续更新

github： https://github.com/294678380/redis-lerning

posted @ 2019-08-21 10:10 张泰峰阅读(8683) 评论(1) 编辑收藏举报

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