Redis中分布式锁的使用

在分布式系统中，如果使用JVM中的同步锁在高并发的场景下仍然会产生线程安全问题。首先我们来查看在多个服务器时为什么会产生线程安全问题，有这样一个案例，有一件商品购买规则为一个用户只能购买一次，如果使用同步锁锁住用户id，只能保证在一个服务器中一个用户只能购买一次，在集群模式下，就可能产生并发问题。

为了避免这个问题，我们应该采取一个新的锁监视器，当需要加锁时，所有服务器都需要从外部的锁监视器中查看是否有线程加锁，如果没有则获取互斥锁，如果已经有线程获取到互斥锁，那么就阻塞等待。模型图如下

什么是分布式锁

满足分布式系统或集群模式下多进程可见并互斥的锁。

分布式锁的实现

分布式锁的核心是实现多进程之间的互斥，常见的实现方式有三种

	MySQL	Redis	Zookeeper
互斥	利用MySQL本身的互斥锁机制	利用setnx这样的互斥命令	利用节点的唯一性和有序性实现互斥
高可用	好	好	好
高性能	一般	好	一般
安全性	断开连接，自动释放锁	利用锁超时时间，到期释放	临时节点，断开连接自动释放

这里我们介绍Redis的实现方式，首先是需要实现的两个最基本的方法

获取锁，通过setnx命令，并expire命令设置超时时间。

释放锁，通过del命令，或是宕机后通过超时时间释放。

但是在获取锁时可能会存在一个问题，那就是在setnx时执行成功但是在expire时宕机，没设置到超时时间，为了避免这种情况，我们需要保证两个命令的原子性，可以采用lua脚本又或是采用set方法，指定ex与nx参数，采用set语法如下

set lock 1 nx ex 10 

在Java中实现代码如下

public class SimpleRedisLock{

    private String name;
    private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;
    private static final String key_Prefix="lock:";

    public SimpleRedisLock(String name,StringRedisTemplate stringRedisTemplate) {
        this.name = name;
        this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;
    }

    @Override
    public boolean getLock(String key,long timeOut) {
        String id = Thread.currentThread().getId();
        //因为这里Redis会返回一个Boolean类型，但是结果要boolean要进行拆箱，如果没查到的话会返回一个null，直接返回结果容易造成空指针异常
        Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key_Prefix + key, id + "", timeOut, TimeUnit.SECONDS);
        return Boolean.TRUE.equals(success);
    }

   @Override
   public void rmLock(String key) {
       stringRedisTemplate.delete(key_Prefix+key);
   }
}

但是这样又存在一个问题，那就是如果一个获取到锁的线程因为某些原因阻塞，导致已经超过了锁的超时时间还没有执行完毕，此时如果新的线程来获取锁，因为Redis已经将锁删除了，因此可以顺利获取到锁。在第二个线程正在执行业务时，第一个线程执行完毕，开始执行删除锁操作，按照我们所实现的代码，会将第二个线程的锁删除，此时第三个线程它也可以开始获取到新的锁，然后在执行期间锁被第二个线程释放。从而造成并行错误。具体模型图如下

为了解决这个问题，我们需要修改初始代码如下，正确的模型图如下

public class SimpleRedisLock{

    private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;

    private static final String key_Prefix="lock:";
    //修改线程标识为UUID，toString方法中的true是为了将UUID中的-去除，我们需要自己在后面拼接一个-
    private static final String ID_Prefix= UUID.randomUUID().toString(true)+"-";

    public SimpleRedisLock(StringRedisTemplate stringRedisTemplate) {
        this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;
    }

    @Override
    public boolean getLock(String key,long timeOut) {
        String id = ID_Prefix+Thread.currentThread().getId();
        //因为这里Redis如果没查到的话会返回一个null类型是Boolean，但是结果要boolean要进行拆箱，boolean只又true以及false，会报空指针异常
        Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key_Prefix + key, id + "", timeOut, TimeUnit.SECONDS);
        return Boolean.TRUE.equals(success);
    }


   @Override
   public void rmLock(String key) {
       //获取锁标识。如果相同在释放，不同则什么也不做
       String id = ID_Prefix+Thread.currentThread().getId();
       String value = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key_Prefix + key);
       if (id.equals(value)) stringRedisTemplate.delete(key_Prefix+key);
   }
}

但是，这样也无法完全解决分布式锁可能产生的问题，接下来我们查看另一种模型图

线程一在判断过Redis中锁标识一样后就在开始执行释放锁时，比如说开始gc垃圾回收或是其他原因导致的暂时阻塞，而在阻塞期间线程一的锁标识超时释放，这时，线程二进行获取锁。线程一阻塞结束，由于要执行删除操作，再次把线程二的锁误删。

这样我们如果通过修改Java代码来解决该问题就过于复杂，需要依赖Redis中的事务机制以及乐观锁实现，因此更推荐使用Lua脚本，来保证获取锁与删除锁的原子性。

简单介绍一下Redis中在Lua语言中提供调用的方法

redis.call('命令名称','key','其他参数')

-- 比如说要执行set name 张三
redis.call('set','name','张三')

-- 如果不想写死需要执行key，value，那么可以通过参数传递
-- key 类型会放在KEYS数组当中。value会放在ARGV数组当中
-- 需要注意的时，Lua语言中数组下标以1开始
redis.call('set','KEYS[1]','ARGV[1]')

RedisTemplate调用lua脚本的API如下

redistemplate.excute(script,keys,args);

再次修改Java代码如下

public class SimpleRedisLock{

    private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;

    private static final String key_Prefix="lock:";
    private static final String ID_Prefix= UUID.randomUUID().toString(true)+"-";

    private static final DefaultRedisScript rmLock_script;
    static {
        rmLock_script=new DefaultRedisScript<>();
        //设置脚本位置
        rmLock_script.setLocation(new ClassPathResource("rmlock.lua"));
        //设置返回类型
        rmLock_script.setResultType(Long.class);
    }
    public SimpleRedisLock(StringRedisTemplate stringRedisTemplate) {
        this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;
    }

    @Override
    public boolean getLock(String key,long timeOut) {
        String id = ID_Prefix+Thread.currentThread().getId();
        //因为这里Redis如果没查到的话会返回一个null类型是Boolean，但是结果要boolean要进行拆箱，boolean只又true以及false，会报空指针异常
        Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key_Prefix + key, id + "", timeOut, TimeUnit.SECONDS);
        return Boolean.TRUE.equals(success);
    }

    @Override
    public void rmLock(String key) {
        //调用lua脚本
        stringRedisTemplate.execute(rmLock_script, Collections.singletonList(key_Prefix + key),ID_Prefix+Thread.currentThread().getId());
    }

}

具体的执行脚本代码如下

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

这样的实现方式已经可以避免普通的并发问题，但是仍然存在一定问题，比如说存在一个业务需要方法A调用方法B而在这两个方法中需要获取同一把锁，那么就是产生死锁问题，因此我们还需要实现锁可重入。其次我们的实现方式中，如果没有获取到锁会立即返回，但是通常我们需要进行重试，我们还需要实现重试机制。还有主从不一致问题，这些问题让我们实际开发中实际并不现实，因此我们可以选择Redisson来解决以上问题。

Redisson的简单使用

在pom文件引入依赖

  org.redisson
  redisson
  3.19.0

配置Redis，我们可以选择yaml文件配置，也可以选择Java配置类

@Configuration
public class RedisConfig {
    @Bean
    public RedissonClient redissonClient(){
        //配置类
        Config config=new Config();
        config.useSingleServer().setAddress("redis://127.0.0.1:6379");
        return Redisson.create(config);
    }
}

Redisson的简单使用

@SpringBootTest
class RedissonApplicationTests {

    @Resource
    private RedissonClient redissonClient;

    @Test
    public void test01() throws Exception {
        //获取锁，指定锁名称，可重入
        RLock lock = redissonClient.getLock("lock");
        //三个参数分别是，最大获取锁等待时间（期间会重试），锁自动释放时间，时间单位
        boolean flag = lock.tryLock(1, 10, TimeUnit.SECONDS);
        if (flag){
            try{
                System.out.println("获取锁成功");
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

锁在Redis中存储结构如下，其中value代表的是锁重入次数