使用分布式锁的目的,无外乎就是保证同一时间只有一个客户端可以对共享资源进行操作。
比如酒店的房间门锁,当你入住的时候,你需要先申请锁(钥匙),如果锁(钥匙)已经被其他人拿走,那么你将不能使用该房间资源;如果你申请到锁(钥匙)进入房间,那么再有别人想申请进入则不被允许;当你释放锁(钥匙,即办理退房)的时候,则其他人可以再次申请锁。
举个例子,假设现在有 100 个用户参与某个限时秒杀活动,每位用户限购 1 件商品,且商品的数量只有 3 个。如果不对共享资源进行互斥访问,就可能出现以下情况:
为了保证共享资源被安全地访问,我们需要使用互斥操作对共享资源进行保护,即同一时刻只允许一个线程访问共享资源,其他线程需要等待当前线程释放后才能访问。这样可以避免数据竞争和脏数据问题,保证程序的正确性和稳定性。
在分布式系统中,不同的服务通常运行在独立的 JVM 进程上。如果多个 JVM 进程共享同一份资源的话,使用本地锁就没办法实现资源的互斥访问了,此时就需要分布式锁了。
基于数据库的实现方式的核心思想是:在数据库中创建一个表,表中包含方法名等字段,并在方法名字段上创建唯一索引,想要执行某个方法,就使用这个方法名向表中插入数据,成功插入则获取锁,执行完成后删除对应的行数据释放锁。
(1)创建一个表:
DROP TABLE IF EXISTS `method_lock`;
CREATE TABLE `method_lock` (
`id` int(11) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '主键',
`method_name` varchar(64) NOT NULL COMMENT '锁定的方法名',
`desc` varchar(255) NOT NULL COMMENT '备注信息',
`update_time` timestamp NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP,
PRIMARY KEY (`id`),
UNIQUE KEY `uidx_method_name` (`method_name`) USING BTREE
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=3 DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT='锁定中的方法';
(2)想要执行某个方法,就使用这个方法名向表中插入数据:
INSERT INTO method_lock (method_name, desc) VALUES ('methodName', '测试的methodName');
因为我们对method_name
做了唯一性约束,这里如果有多个请求同时提交到数据库的话,数据库会保证只有一个操作可以成功,那么我们就可以认为操作成功的那个线程获得了该方法的锁,可以执行方法体内容。
(3)成功插入则获取锁,执行完成后删除对应的行数据释放锁:
delete from method_lock where method_name ='methodName';
使用基于数据库的这种实现方式很简单,但是对于分布式锁应该具备的条件来说,它有一些问题需要解决及优化:
1、因为是基于数据库实现的,数据库的可用性和性能将直接影响分布式锁的可用性及性能,所以,数据库需要双机部署、数据同步、主备切换;
2、不具备可重入的特性,因为同一个线程在释放锁之前,行数据一直存在,无法再次成功插入数据,所以,需要在表中新增一列,用于记录当前获取到锁的机器和线程信息,在再次获取锁的时候,先查询表中机器和线程信息是否和当前机器和线程相同,若相同则直接获取锁;
3、没有锁失效机制,因为有可能出现成功插入数据后,服务器宕机了,对应的数据没有被删除,当服务恢复后一直获取不到锁,所以,需要在表中新增一列,用于记录失效时间,并且需要有定时任务清除这些失效的数据;
4、不具备阻塞锁特性,获取不到锁直接返回失败,所以需要优化获取逻辑,循环多次去获取。
5、在实施的过程中会遇到各种不同的问题,为了解决这些问题,实现方式将会越来越复杂;依赖数据库需要一定的资源开销,性能问题需要考虑。
所以基本没有使用数据库实现分布式锁的。
目前使用Redis分布式锁比较常见。
选用Redis实现分布式锁原因:
SET resource_name random_value NX PX 30000
执行完业务代码后,可以通过下面的Redis Lua脚本来释放锁:
if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
return redis.call("del",KEYS[1])
else
return 0
end
这段Lua脚本在执行的时候要把前面的value作为 ARGV[1] 的值传进去,把 lockkey 作为 KEYS[1] 的值传进去。
选用 Lua 脚本是为了保证解锁操作的原子性。因为 Redis 在执行 Lua 脚本时,可以以原子性的方式执行,从而保证了锁释放操作的原子性。
关键点:
1、**一定要保证设置指定 key 的值和过期时间是一个原子操作!**不然的话,依然可能会出现锁无法被释放的问题。
不过,这种解决办法同样存在漏洞:如果操作共享资源的时间大于过期时间,就会出现锁提前过期的问题,进而导致分布式锁直接失效。如果锁的超时时间设置过长,又会影响到性能。
如何实现锁的优雅续期?这个下面会讲到。
2、设置一个随机字符串 value 是很有必要的,它保证了一个客户端释放的锁必须是自己持有的那个锁。
假如获取锁时SET的不是一个随机字符串,而是一个固定值,那么可能会发生下面的执行序列:
3、Lua脚本
释放锁的操作必须使用Lua脚本来实现。释放锁其实包含三步操作:获取、判断和删除,用Lua脚本来实现能保证这三步的原子性。
否则,如果把这三步操作放到客户端逻辑中去执行的话,就有可能发生与前面第三个问题类似的执行序列:
Redisson 是一个开源的 Java 语言 Redis 客户端,提供了很多开箱即用的功能。并且,Redisson 还支持 Redis 单机、Redis Sentinel、Redis Cluster 等多种部署架构。
Redisson 中的分布式锁自带自动续期机制,提供了一个专门用来监控和续期锁的 Watch Dog( 看门狗),如果操作共享资源的线程还未执行完成的话,Watch Dog 会不断地延长锁的过期时间,进而保证锁不会因为超时而被释放。
redission.lock==>
1. 使用hash对每个锁key(资源节点信息)进行赋值value(锁的次数)。实现可重入的加锁方式(对value进行加1操作)
2. 如果加锁失败,判断是否超时,如果超时则返回false。
3. 如果加锁失败,没有超时,那么需要在redisson_lock__channel+lockName的channel上进行订阅,用于订阅解锁消息,然后一直阻塞直到超时,或者有解锁消息。
4. 重试步骤1,2,3,直到最后获取到锁,或者某一步获取锁超时。
if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then
redis.call('hset', KEYS[1], ARGV[2], 1);
redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]);
return nil;
end;
if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then
redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1);
redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]);
return nil;
end;
return redis.call('pttl', KEYS[1]);
redission.unlock==>
1. 通过lua脚本进行解锁,如果是可重入锁,只是减1。如果是非加锁线程解锁,那么解锁失败。
2. 解锁成功需要在redisson_lock__channel+lockName的channel发布解锁消息,以便等待该锁的线程进行加锁
if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then
redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]);
return 1;
end;
if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[3]) == 0) then
return nil;
end;
local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[3], -1);
if (counter > 0) then
redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]);
return 0;
else
redis.call('del', KEYS[1]);
redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]);
return 1;
end;
return nil;
//renewExpiration() 方法包含了看门狗的主要逻辑:
private void renewExpiration() {
//......
Timeout task = commandExecutor.getConnectionManager().newTimeout(new TimerTask() {
@Override
public void run(Timeout timeout) throws Exception {
//......
// 异步续期,基于 Lua 脚本
CompletionStage<Boolean> future = renewExpirationAsync(threadId);
future.whenComplete((res, e) -> {
if (e != null) {
// 无法续期
log.error("Can't update lock " + getRawName() + " expiration", e);
EXPIRATION_RENEWAL_MAP.remove(getEntryName());
return;
}
if (res) {
// 递归调用实现续期
renewExpiration();
} else {
// 取消续期
cancelExpirationRenewal(null);
}
});
}
// 延迟 internalLockLeaseTime/3(默认 10s,也就是 30/3) 再调用
}, internalLockLeaseTime / 3, TimeUnit.MILLISECONDS);
ee.setTimeout(task);
}
使用 Redission是很简单的:
@Autowired
private Redisson redisson;
public String deductStock() {
String lockKey = "lock:product_101";
//获取锁对象
RLock redissonLock = redisson.getLock(lockKey);
//加分布式锁
redissonLock.lock(); // .setIfAbsent(lockKey, clientId, 30, TimeUnit.SECONDS);
try {
int stock = Integer.parseInt(stringRedisTemplate.opsForValue().get("stock"));
if (stock > 0) {
//todo 业务
} else {
System.out.println("扣减失败,库存不足");
}
} finally {
//解锁
redissonLock.unlock();
}
return "end";
}