Redis 分布式锁

如何实现一个分布式锁

锁，大多是基于一个只能被1个线程占用、得到的资源来实现的。

JVM的锁，是基于CPU对于寄存器的修改指令cmpxchg，来保证旧值改为新值的操作，只有一个能成功。这里的旧值，就是这个被争夺的资源，大多数情况，并发时第一个线程对旧值修改成功后，其他线程就没有机会了。（当然，ABA是另外一个话题，这里就不说了。。）

在分布式环境下，要实现一个锁，我们就要找个一个只能被1个线程占用的资源。有经验的开发很快能想到，共享磁盘文件句柄、缓存、mysql数据库，这些分布式环境下，数据表现为单份的，都应当能满足需求。

然而，基于文件、DB会遭遇各式各样的问题，性能，经常也会是瓶颈。
因此，我们常常考虑远程缓存（纯内存、或带持久化）

可靠性

首先，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。（锁基本特性）
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。（超时）
具有容错性。只要大部分的Redis节点正常运行，客户端就可以加锁和解锁。
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。（一夫一妻制，or纯种性）

代码实现

加锁代码

正确姿势
Talk is cheap, show me the code。先展示代码，再带大家慢慢解释为什么这样实现：

public class RedisTool {
 
    private static final String LOCK_SUCCESS = "OK";
    private static final String SET_IF_NOT_EXIST = "NX";
    private static final String SET_WITH_EXPIRE_TIME = "PX";
 
    /**
     * 尝试获取分布式锁
     * @param jedis Redis客户端
     * @param lockKey 锁
     * @param requestId 请求标识
     * @param expireTime 超期时间
     * @return 是否获取成功
     */
    public static boolean tryGetDistributedLock(Jedis jedis, String lockKey, String requestId, int expireTime) {
 
        String result = jedis.set(lockKey, requestId, SET_IF_NOT_EXIST, SET_WITH_EXPIRE_TIME, expireTime);
 
        if (LOCK_SUCCESS.equals(result)) {
            return true;
        }
        return false;
    }
}

可以看到，我们加锁就一行代码：jedis.set(String key, String value, String nxxx, String expx, int time)，这个set()方法一共有五个形参：

第一个为key，我们使用key来当锁，因为key是唯一的。
第二个为value，我们传的是requestId，很多童鞋可能不明白，有key作为锁不就够了吗，为什么还要用到value？原因就是我们在上面讲到可靠性时，分布式锁要满足第四个条件解铃还须系铃人，通过给value赋值为requestId，我们就知道这把锁是哪个请求加的了，在解锁的时候就可以有依据。requestId可以使用UUID.randomUUID().toString()方法生成。
第三个为nxxx，这个参数我们填的是NX，意思是SET IF NOT EXIST，即当key不存在时，我们进行set操作；若key已经存在，则不做任何操作；
第四个为expx，这个参数我们传的是PX，意思是我们要给这个key加一个过期的设置，具体时间由第五个参数决定。
第五个为time，与第四个参数相呼应，代表key的过期时间。

总的来说，执行上面的set()方法就只会导致两种结果：1. 当前没有锁（key不存在），那么就进行加锁操作，并对锁设置个有效期，同时value表示加锁的客户端。2. 已有锁存在，不做任何操作。

心细的童鞋就会发现了，我们的加锁代码满足我们可靠性里描述的三个条件。- - 首先，set()加入了NX参数，可以保证如果已有key存在，则函数不会调用成功，也就是只有一个客户端能持有锁，满足互斥性。

其次，由于我们对锁设置了过期时间，即使锁的持有者后续发生崩溃而没有解锁，锁也会因为到了过期时间而自动解锁（即key被删除），不会发生死锁。
最后，因为我们将value赋值为requestId，代表加锁的客户端请求标识，那么在客户端在解锁的时候就可以进行校验是否是同一个客户端。由于我们只考虑Redis单机部署的场景，所以容错性我们暂不考虑。

错误示例1

public static void wrongGetLock1(Jedis jedis, String lockKey, String requestId, int expireTime) {
 
    Long result = jedis.setnx(lockKey, requestId);
    if (result == 1) {
        // 若在这里程序突然崩溃，则无法设置过期时间，将发生死锁
        jedis.expire(lockKey, expireTime);
    }
 
}

setnx()方法作用就是SET IF NOT EXIST，expire()方法就是给锁加一个过期时间。乍一看好像和前面的set()方法结果一样，然而由于这是两条Redis命令，不具有原子性，如果程序在执行完setnx()之后突然崩溃，导致锁没有设置过期时间。那么将会发生死锁。网上之所以有人这样实现，是因为低版本的jedis并不支持多参数的set()方法。

错误实现2

public static boolean wrongGetLock2(Jedis jedis, String lockKey, int expireTime) {
 
    long expires = System.currentTimeMillis() + expireTime;
    String expiresStr = String.valueOf(expires);
 
    // 如果当前锁不存在，返回加锁成功
    if (jedis.setnx(lockKey, expiresStr) == 1) {
        return true;
    }
 
    // 如果锁存在，获取锁的过期时间
    String currentValueStr = jedis.get(lockKey);
    if (currentValueStr != null && Long.parseLong(currentValueStr) < System.currentTimeMillis()) {
        // 锁已过期，获取上一个锁的过期时间，并设置现在锁的过期时间
        String oldValueStr = jedis.getSet(lockKey, expiresStr);
        if (oldValueStr != null && oldValueStr.equals(currentValueStr)) {
            // 考虑多线程并发的情况，只有一个线程的设置值和当前值相同，它才有权利加锁
            return true;
        }
    }
 
    // 其他情况，一律返回加锁失败
    return false;
 
}

那么这段代码问题在哪里？

1. 由于是客户端自己生成过期时间，所以需要强制要求分布式下每个客户端的时间必须同步。
1. 当锁过期的时候，如果多个客户端同时执行jedis.getSet()方法，那么虽然最终只有一个客户端可以加锁，但是这个客户端的锁的过期时间可能被其他客户端覆盖。
1. 锁不具备拥有者标识，即任何客户端都可以解锁。

正确姿势

还是先展示代码，再带大家慢慢解释为什么这样实现：

public class RedisTool {
 
    private static final Long RELEASE_SUCCESS = 1L;
 
    /**
     * 释放分布式锁
     * @param jedis Redis客户端
     * @param lockKey 锁
     * @param requestId 请求标识
     * @return 是否释放成功
     */
    public static boolean releaseDistributedLock(Jedis jedis, String lockKey, String requestId) {
 
        String script = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
        Object result = jedis.eval(script, Collections.singletonList(lockKey), Collections.singletonList(requestId));
 
        if (RELEASE_SUCCESS.equals(result)) {
            return true;
        }
        return false;
    }
}

可以看到，我们解锁只需要两行代码就搞定了！第一行代码，我们写了一个简单的Lua脚本代码，上一次见到这个编程语言还是在《黑客与画家》里，没想到这次居然用上了。第二行代码，我们将Lua代码传到jedis.eval()方法里，并使参数KEYS[1]赋值为lockKey，ARGV[1]赋值为requestId。eval()方法是将Lua代码交给Redis服务端执行。

那么这段Lua代码的功能是什么呢？其实很简单，首先获取锁对应的value值，检查是否与requestId相等，如果相等则删除锁（解锁）。那么为什么要使用Lua语言来实现呢？因为要确保上述操作是原子性的。关于非原子性会带来什么问题，可以阅读【解锁代码-错误示例2】。那么为什么执行eval()方法可以确保原子性，源于Redis的特性：简单来说，就是在eval命令执行Lua代码的时候，Lua代码将被当成一个命令去执行，并且直到eval命令执行完成，Redis才会执行其他命令。

错误示例1

最常见的解锁代码就是直接使用jedis.del()方法删除锁，这种不先判断锁的拥有者而直接解锁的方式，会导致任何客户端都可以随时进行解锁，即使这把锁不是它的。

public static void wrongReleaseLock1(Jedis jedis, String lockKey) {
    jedis.del(lockKey);
}

错误示例2

这种解锁代码乍一看也是没问题，甚至我之前也差点这样实现，与正确姿势差不多，唯一区别的是分成两条命令去执行，代码如下：

public static void wrongReleaseLock2(Jedis jedis, String lockKey, String requestId) {
 
    // 判断加锁与解锁是不是同一个客户端
    if (requestId.equals(jedis.get(lockKey))) {
        // 若在此时，这把锁突然不是这个客户端的，则会误解锁
        jedis.del(lockKey);
    }
}

如代码注释，问题在于如果调用jedis.del()方法的时候，这把锁已经不属于当前客户端的时候会解除他人加的锁。那么是否真的有这种场景？答案是肯定的，比如客户端A加锁，一段时间之后客户端A解锁，在执行jedis.del()之前，锁突然过期了，此时客户端B尝试加锁成功，然后客户端A再执行del()方法，则将客户端B的锁给解除了。

Tair的实现

public class CommonLocker {

    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(CommonLocker.class);

    @Resource
    private TairManager ldbTairManager;

    private static final short NAMESPACE = 1310;

    private static CommonLocker locker;

    public void init() {
        if (locker != null) return;
        synchronized (CommonLocker.class) {
            if (locker == null)
                locker = this;
        }
    }

    public static Lock newLock(String format, Object... argArray) {
        FormattingTuple ft = MessageFormatter.arrayFormat(format, argArray);
        return newLock(ft.getMessage());
    }

    public static Lock newLock(String strKey) {
        String key = "_tl_" + strKey;
        return new TairLock(key, CommonConfig.lock_default_timeout);
    }

    public static Lock newLock(String strKey, int timeout) {
        String key = "_tl_" + strKey;
        return new TairLock(key, timeout);
    }

    private static class TairLock implements Lock {
        private String lockKey;
        private boolean gotLock = false;
        private int retryGet = 0;
        private int retryPut = 0;
        private int timeout;

        public TairLock(String key, int timeout) {
            this.lockKey = tokey(key);
            this.timeout = timeout;
        }

        public boolean tryLock() {
            return tryLock(timeout);
        }

        /**
         * need finally do unlock
         *
         * @return
         */
        public boolean tryLock(int timeout) {
            Result result = locker.ldbTairManager.get(NAMESPACE, lockKey);
            while (retryGet++ < CommonConfig.lock_get_max_retry &&
                    (result == null || ResultCode.CONNERROR.equals(result.getRc()) || ResultCode.TIMEOUT.equals(result.getRc()) || ResultCode.UNKNOW.equals(result.getRc()))) // 重试一次
                result = locker.ldbTairManager.get(NAMESPACE, lockKey);
            if (ResultCode.DATANOTEXSITS.equals(result.getRc())) { // lock is free
                // 已验证version 2表示为空，若不是为空，则返回version error
                ResultCode code = locker.ldbTairManager.put(NAMESPACE, lockKey, locker.getValue(), 2, timeout);
                if (ResultCode.SUCCESS.equals(code)) {
                    gotLock = true;
                    return true;
                } else if (retryPut++ < CommonConfig.lock_put_max_retry &&
                        (code == null || ResultCode.CONNERROR.equals(result.getRc()) || ResultCode.TIMEOUT.equals(result.getRc()) || ResultCode.UNKNOW.equals(result.getRc()))) {
                    return tryLock(timeout);
                }
            } else if (result.getValue() != null && locker.getValue().equals(result.getValue().getValue())) {
// 【注意】其实这里线程复用时，ThreadName有相同风险，可以改为uuid逻辑，复用锁传入uuid。
                // 若是自己的锁，自己继续用
                gotLock = true;
                return true;
            }
            // 到这里表示没有拿到锁
            return false;
        }

        public void unlock() {
            if (gotLock) {
                ResultCode invalidCode = locker.ldbTairManager.invalid(NAMESPACE, lockKey);
                gotLock = false;
            }
        }

        public void lock() {
            throw new NotImplementedException();
        }

        public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
            throw new NotImplementedException();
        }

        public boolean tryLock(long l, TimeUnit timeUnit) throws InterruptedException {
            throw new NotImplementedException();
        }

        public Condition newCondition() {
            throw new NotImplementedException();
        }
    }

// 【注意】其实这里线程复用时，ThreadName有相同风险，可以改为uuid逻辑，复用锁传入uuid。
    private String getValue() {
        return getHostname() + ":" + Thread.currentThread().getName();
    }

    /**
     * 获得机器名
     *
     * @return
     */
    public static String getHostname() {
        try {
            return InetAddress.getLocalHost().getHostName();
        } catch (UnknownHostException e) {
            return "[unknown]";
        }
    }

    public void setLdbTairManager(TairManager ldbTairManager) {
        this.ldbTairManager = ldbTairManager;
    }
}

Ref：http://www.importnew.com/27477.html
https://yq.aliyun.com/articles/58928

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