基于redis的分布式锁实现

随着业务越来越复杂，应用服务都会朝着分布式、集群方向部署，而分布式CAP原则告诉我们，Consistency（一致性）、 Availability（可用性）、Partition tolerance（分区容错性），三者不可得兼。

很多场景中，需要使用分布式事务、分布式锁等技术来保证数据最终一致性。有的时候，我们需要保证某一方法同一时刻只能被一个线程执行。
在单机（单进程）环境中，JAVA提供了很多并发相关API，但在多机（多进程）环境中就无能为力了。

对于分布式锁，最好能够满足以下几点

可以保证在分布式部署的应用集群中，同一个方法在同一时间只能被一台机器上的一个线程执行
这把锁要是一把可重入锁（避免死锁）
这把锁最好是一把阻塞锁
有高可用的获取锁和释放锁功能
获取锁和释放锁的性能要好

针对分布式锁，目前有以下几种实现方案

基于数据库实现分布式锁 
基于缓存实现分布式锁 
基于zookeeper实现分布式锁

分布式同步锁实现

实现思路

锁的实现主要基于redis的SETNX命令（SETNX详细解释参考这里），我们来看SETNX的解释

SETNX key value
将 key 的值设为 value ，当且仅当 key 不存在。
若给定的 key 已经存在，则 SETNX 不做任何动作。
SETNX 是『SET if Not eXists』(如果不存在，则 SET)的简写。

返回值：
设置成功，返回 1 。
设置失败，返回 0 。

使用SETNX完成同步锁的流程及事项如下：

1. 使用SETNX命令获取锁，若返回0（key已存在，锁已存在）则获取失败，反之获取成功
2. 为了防止获取锁后程序出现异常，导致其他线程/进程调用SETNX命令总是返回0而进入死锁状态，需要为该key设置一个“合理”的过期时间
3. 释放锁，使用DEL命令将锁数据删除

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实现过程

创建同步锁实现类

/**
 * 同步锁
 *
 * @property key Redis key
 * @property stringRedisTemplate RedisTemplate
 * @property expire Redis TTL/秒
 * @property safetyTime 安全时间/秒
 */
class SyncLock(
        private val key: String,
        private val stringRedisTemplate: StringRedisTemplate,
        private val expire: Long,
        private val safetyTime: Long
)

key reids中的key，对应java api synchronized的对象
expire reids中key的过期时间
safetyTime 下文介绍其作用

实现锁的获取功能

private val value: String get() = Thread.currentThread().name

/**
 * 尝试获取锁（立即返回）
 *
 * @return 是否获取成功
 */
fun tryLock(): Boolean {
    val locked = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, value) ?: false
    if (locked) {
        stringRedisTemplate.expire(key, expire, TimeUnit.SECONDS)
    }
    return locked
}

这里使用setIfAbsent函数(对应SETNX命令)尝试设置key的值为value（当前线程id+线程名），若成功则同时设置key的过期时间并返回true，否则返回false

实现带超时时间的锁获取功能

private val waitMillisPer: Long = 10

/**
 * 尝试获取锁，并至多等待timeout时长
 *
 * @param timeout 超时时长
 * @param unit 时间单位
 *
 * @return 是否获取成功
 */
fun tryLock(timeout: Long, unit: TimeUnit): Boolean {
    val waitMax = unit.toMillis(timeout)
    var waitAlready: Long = 0

    while (stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, value) != true && waitAlready < waitMax) {
        Thread.sleep(waitMillisPer)
        waitAlready += waitMillisPer
    }

    if (waitAlready < waitMax) {
        stringRedisTemplate.expire(key, expire, TimeUnit.SECONDS)
        return true
    }
    return false
}

这里使用while循环不断尝试锁的获取，并至多尝试timeout时长，在timeout时间内若成功则同时设置key的过期时间并返回true，否则返回false

其实以上两种tryLock函数还是有一种可能便是，在调用setIfAbsent后、调用expire之前若服务出现异常，也将导致该锁(key)无法释放(过期或删除)，使得其他线程/进程再无法获取锁而进入死循环，为了避免此问题的产生，我们引入了safetyTime
该参数的作用为，从获取锁开始直到safetyTime时长，若仍未获取成功则认为某一线程/进程出现异常导致数据不正确，此时强制获取，其实现如下

实现带保护功能的锁获取功能

/**
 * 获取锁
 */
fun lock() {
    val waitMax = TimeUnit.SECONDS.toMillis(safetyTime)
    var waitAlready: Long = 0

    while (stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, value) != true && waitAlready < waitMax) {
        Thread.sleep(waitMillisPer)
        waitAlready += waitMillisPer
    }

    // stringRedisTemplate.expire(key, expire, TimeUnit.SECONDS)
    stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, value, expire, TimeUnit.SECONDS)
}

这里同样使用while循环不断尝试锁的获取，但至多等待safetyTime时长，最终不论是否成功，均使用SETEX命令将key设置为当前先线程对应的value，并同时设置该key的过期时间

实现锁的释放功能

/**
 * 释放锁
 */
fun unLock() {
    stringRedisTemplate.opsForValue()[key]?.let {
        if (it == value) {
            stringRedisTemplate.delete(key)
        }
    }
}

锁的释放使用DEL命令删除key，但需要注意的是，释放锁时只能释放本线程持有的锁
若expire设置不合理，如expire设置为10秒，结果在获取锁后线程运行了20秒，该锁有可能已经被其他线程强制获取，即该key代表的锁已经不是当前线程所持有的锁，此时便不能冒然删除该key，而只能释放本线程持有的锁。

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集成spring boot

为了更好的与spring集成，我们创建一个工厂类来辅助创建同步锁实例

/**
 * SyncLock同步锁工厂类
 */
@Component
class SyncLockFactory {
    @Autowired
    private lateinit var stringRedisTemplate: StringRedisTemplate

    private val syncLockMap = mutableMapOf()

    /**
     * 创建SyncLock
     *
     * @param key Redis key
     * @param expire Redis TTL/秒，默认10秒
     * @param safetyTime 安全时间/秒，为了防止程序异常导致死锁，在此时间后强制拿锁，默认 expire * 5 秒
     */
    @Synchronized
    fun build(key: String, expire: Long = 10 /* seconds */, safetyTime: Long = expire * 5/* seconds */): SyncLock {
        if (!syncLockMap.containsKey(key)) {
            syncLockMap[key] = SyncLock(key, stringRedisTemplate, expire, safetyTime)
        }
        return syncLockMap[key]!!
    }
}

在spring框架下可以更方便的使用

@Component
class SomeLogic: InitializingBean {
  @Autowired
  lateinit var syncLockFactory: SyncLockFactory

  lateinit var syncLock

  override fun afterPropertiesSet() {
    syncLock = syncLockFactory.build("lock:some:name", 10)
  }

  fun someFun() {
    syncLock.lock()
    try {
      // some logic
    } finally {
      syncLock.unlock()
    }
  }
}

---

注解的实现

借助spring aop框架，我们可以将SyncLock的使用进一步简化

创建注解类

/**
 * 同步锁注解
 *
 * @property key Redis key
 * @property expire Redis TTL/秒，默认10秒
 */
@Target(AnnotationTarget.FUNCTION)
@Retention(AnnotationRetention.RUNTIME)
annotation class SyncLockable(
        val key: String,
        val expire: Long = 10
)

实现AOP

/**
 * 同步锁注解处理
 */
@Aspect
@Component
class SyncLockHandle {
    @Autowired
    private lateinit var syncLockFactory: SyncLockFactory

    /**
     * 在方法上执行同步锁
     */
    @Around("@annotation(syncLockable)")
    fun syncLock(jp: ProceedingJoinPoint, syncLockable: SyncLockable): Any? {
        val lock = syncLockFactory.build(syncLockable.key, syncLockable.expire)

        try {
            lock.lock()
            return jp.proceed()
        } finally {
            lock.unLock()
        }
    }
}

如此一来，我们便可以按照如下方式使用SyncLock

@Component
class SomeLogic {
    @SyncLockable("lock:some:name", 10)
    fun someFun() {
        // some logic
    }
}

是不是显得更加方便！