【SpringBoot篇】解决Redis分布式锁的 误删问题 和 原子性问题

Redis的分布式锁

Redis的分布式锁是通过利用Redis的原子操作和特性来实现的。在分布式环境中，多个应用程序或服务可能同时访问共享资源，为了保证数据的一致性和避免冲突，可以使用分布式锁来进行同步控制。

以下是一种常见的使用Redis实现分布式锁的方式：

1. 获取锁：当一个应用程序需要获取锁时，它可以通过执行以下操作在Redis中设置一个特定的键值对：

SET lock_key unique_value NX PX lock_timeout

这里的lock_key是锁的唯一标识，unique_value是唯一的值，可以是随机生成的UUID，NX表示只有当键不存在时才会设置成功，PX表示设置键的过期时间。通过设置过期时间，即使获取锁的应用程序崩溃或异常退出，锁也会在一段时间后自动释放，避免出现死锁。

2. 释放锁：当应用程序完成对共享资源的操作后，它可以通过执行以下操作释放锁：

if GET lock_key == unique_value then
    DELETE lock_key
end

应用程序首先获取锁的当前值，然后比较是否与自己持有的唯一值相等，如果相等则删除该键，表示释放锁。这样可以确保只有持有锁的应用程序才能释放锁，避免误释放其他应用程序的锁。

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需要注意的是，分布式锁并不是绝对安全和可靠的。在高并发的环境中，可能存在竞争条件和死锁等问题。因此，在实际使用中，需要考虑更复杂的场景和解决方案。

误删问题

遇到下面的情况的话，会出现Redis分布式锁的误删问题

这种情况下。线程1首先获取锁，但是发生了阻塞，于是线程2拿到了执行权，在线程2执行的过程中，线程1苏醒了，继续执行，到后面，线程1执行到了删除锁的操作，此时就会把本应该属于线程2的锁删除，这样子就造成了误删问题

解决方法

就是在每个线程释放锁的时候，去判断一下当前这把锁是否属于自己，如果属于自己，则不进行锁的删除，假设还是上边的情况，线程1卡顿，锁自动释放，线程2进入到锁的内部执行逻辑，此时线程1反应过来，然后删除锁，但是线程1，一看当前这把锁不是属于自己，于是不进行删除锁逻辑，当线程2走到删除锁逻辑时，如果没有卡过自动释放锁的时间点，则判断当前这把锁是属于自己的，于是删除这把锁。

代码实现

public class SimpleRedisLock implements ILock {

    private String name;
    private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;

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

    private static final String KEY_PREFIX = "lock:";
    //使用uuid，在获取锁的时候存入线程标识
    private static final String ID_PREFIX = UUID.randomUUID().toString(true) + "-";


    @Override
    public boolean tryLock(long timeoutSec) {
        // 获取线程标示
        String threadId = ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId();
        // 获取锁
        Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue()
                .setIfAbsent(KEY_PREFIX + name, threadId, timeoutSec, TimeUnit.SECONDS);
        return Boolean.TRUE.equals(success);

        //这里不能是return success；否则  因为public后面的boolean是基本类型，而Boolean是引用类型，如果直接返回success，是一个自动拆箱的过程，可能回发生空指针异常
    }

   	@Override
    public void unlock() {
        // 获取线程标示
        String threadId = ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId();
        // 获取锁中的标示
        String id = stringRedisTemplate.opsForValue().get(KEY_PREFIX + name);
        // 判断标示是否一致
        if(threadId.equals(id)) {
            // 释放锁
            stringRedisTemplate.delete(KEY_PREFIX + name);
        }
    }
}

原子性问题

上面我们解决了误删问题
在误删问题的情况下，遇到下面的情况的话，会出现Redis分布式锁的原子性问题

这种情况下，线程1先执行一段，线程1先判断锁标识，判断成功，标识是属于线程1的，后面就在线程1正准备删除锁释放的过程中，突然线程1的锁过期了，线程1发生阻塞
这个时候线程2开始执行，在线程2执行过程中，线程1阻塞结束了，会执行删除锁的操作，相当于判断锁标识并没有起到作用（因为之前一句判断过了），于是就把线程2的锁给删除掉了，又一次发生了误删操作
这个时候线程3趁虚而入，执行业务
这就是删锁时的原子性问题，之所以有这个问题，是因为判断锁标识和删除锁是2个动作，这2个动作中间产生了阻塞
那么我们就要让这2个操作一起执行，中间不能出现间隔

Lua脚本

Redis提供了Lua脚本功能，在一个脚本中编写多条Redis命令，确保多条命令执行时的原子性。Lua是一种编程语言，它的基本语法大家可以参考网站：https://www.runoob.com/lua/lua-tutorial.html，这里重点介绍Redis提供的调用函数，我们可以使用lua去操作redis，又能保证他的原子性，这样就可以实现拿锁比锁删锁是一个原子性动作了，作为Java程序员这一块并不作一个简单要求，并不需要大家过于精通，只需要知道他有什么作用即可。

这里重点介绍Redis提供的调用函数，语法如下：

redis.call('命令名称', 'key', '其它参数', ...)

例如，我们要执行set name jack，则脚本是这样：

# 执行 set name jack
redis.call('set', 'name', 'jack')

例如，我们要先执行set name Rose，再执行get name，则脚本如下：

# 先执行 set name jack
redis.call('set', 'name', 'Rose')
# 再执行 get name
local name = redis.call('get', 'name')
# 返回
return name

写好脚本以后，需要用Redis命令来调用脚本，调用脚本的常见命令如下：

例如，我们要执行 redis.call(‘set’, ‘name’, ‘jack’) 这个脚本，语法如下：

如果脚本中的key、value不想写死，可以作为参数传递。key类型参数会放入KEYS数组，其它参数会放入ARGV数组，在脚本中可以从KEYS和ARGV数组获取这些参数：

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⭐利用Java代码调用Lua脚本改造分布式锁

接下来我们来回一下我们释放锁的逻辑：

释放锁的业务流程是这样的

​ 1、获取锁中的线程标示

​ 2、判断是否与指定的标示（当前线程标示）一致

​ 3、如果一致则释放锁（删除）

​ 4、如果不一致则什么都不做

如果用Lua脚本来表示则是这样的：

最终我们操作redis的拿锁比锁删锁的lua脚本就会变成这样

-- 这里的 KEYS[1] 就是锁的key，这里的ARGV[1] 就是当前线程标示
-- 获取锁中的标示，判断是否与当前线程标示一致
if (redis.call('GET', KEYS[1]) == ARGV[1]) then
  -- 一致，则删除锁
  return redis.call('DEL', KEYS[1])
end
-- 不一致，则直接返回
return 0

lua脚本本身并不需要大家花费太多时间去研究，只需要知道如何调用，大致是什么意思即可，所以在笔记中并不会详细的去解释这些lua表达式的含义。

我们的RedisTemplate中，可以利用execute方法去执行lua脚本，参数对应关系就如下图

代码实现

我们先写入lua这个脚本

-- 比较线程标示与锁中的标示是否一致
if(redis.call('get', KEYS[1]) ==  ARGV[1]) then
    -- 释放锁 del key
    return redis.call('del', KEYS[1])
end
return 0

然后我们来调用这个脚本

下面是完整代码

public class SimpleRedisLock implements ILock {

    private String name;
    private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;

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

    private static final String KEY_PREFIX = "lock:";
    private static final String ID_PREFIX = UUID.randomUUID().toString(true) + "-";
    private static final DefaultRedisScript<Long> UNLOCK_SCRIPT;
    static {
        UNLOCK_SCRIPT = new DefaultRedisScript<>();
        UNLOCK_SCRIPT.setLocation(new ClassPathResource("unlock.lua"));
        UNLOCK_SCRIPT.setResultType(Long.class);
    }

    @Override
    public boolean tryLock(long timeoutSec) {
        // 获取线程标示
        String threadId = ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId();
        // 获取锁
        Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue()
                .setIfAbsent(KEY_PREFIX + name, threadId, timeoutSec, TimeUnit.SECONDS);
        return Boolean.TRUE.equals(success);

        //这里不能是return success；否则  因为public后面的boolean是基本类型，而Boolean是引用类型，如果直接返回success，是一个自动拆箱的过程，可能回发生空指针异常
    }

    @Override
    public void unlock() {
        // 调用lua脚本
        stringRedisTemplate.execute(
                UNLOCK_SCRIPT,
                Collections.singletonList(KEY_PREFIX + name),
                ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId());
    }
}

在技术的道路上，我们不断探索、不断前行，不断面对挑战、不断突破自我。科技的发展改变着世界，而我们作为技术人员，也在这个过程中书写着自己的篇章。让我们携手并进，共同努力，开创美好的未来！愿我们在科技的征途上不断奋进，创造出更加美好、更加智能的明天！