分布式锁与 Redisson 概述（施工中）

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1 知识预热
1.1 分布式锁和传统加锁方式的区别
1.2 分布式锁可以起到的作用
1.3 常见的分布式锁
2 分布式锁的实现思路
3 Redisson 概述

知识预热

分布式锁和传统加锁方式的区别

以最传统的 Synchronized 关键字为例。

  1. 范围
    • Synchronized：Java 内置的一种并发控制机制，主要用于在单个 JVM 内的多线程之间同步共享资源，如在多个线程间共享一个对象的方法或代码块。
    • 分布式锁：支持在分布式系统中的不同节点之间同步共享资源，比如在分布式缓存、分布式数据库、分布式任务调度等场景下。
  2. 可靠性
    • Synchronized：通常比较可靠，但需要注意避免死锁和竞争条件
    • 分布式锁：需要考虑分布式系统的复杂性，包括网络延迟、节点故障、数据一致性等问题，确保在分布式环境下也能保持正确的同步
  3. 实现方式
    • Synchronized：由 JVM 内部实现
    • 分布式锁：通常需要借助外部组件或服务来实现，如基于分布式协调框架（如ZooKeeper）的锁机制，或是使用分布式数据库实现
  4. 性能
    • Synchronized：性能相对较高，但在高并发情况下可能导致线程竞争和阻塞
    • 分布式锁：涉及网络通信和分布式协调，通常更加耗时，并且需要考虑分布式系统的稳定性和可靠性

分布式锁可以起到的作用

  • 并发控制：防止多个节点同时访问关键资源
  • 流程串行：在分布式环境中维护操作的顺序，确保操作按照预期的顺序执行

所谓的资源征用、重复执行、竞态条件、数据一致都一样，核心就是并发控制。分布式锁的目的和锁的目的一样，只是影响的范围不同。

常见的分布式锁

  • Redis：支持基本的分布式锁实现，通过在Redis中设置一个特定的键值来表示锁状态，利用Redis的原子操作来实现锁的获取和释放
  • Redisson：基于Redis的Java框架，它提供了各种类型的分布式锁，如普通锁、公平锁、可重入锁等。Redisson还支持异步锁、红锁、信号量、闭锁等功能
  • Zookeeper：提供了有序临时节点，可以用来竞争获取锁，并通过监视机制实现锁的超时和自动释放
  • etcd：开源的分布式键值存储系统，类似于ZooKeeper。etcd可以用于实现分布式锁，通过分布式的事务操作来保证锁的正确性
  • 数据库：在一些场景下，可以通过数据库的特性来实现分布式锁，比如使用数据库行级锁或乐观锁来控制并发访问

分布式锁的实现思路

关键点：只能有一个线程获取锁

利用 Redis 的 SETNX 方法（Set If Not Exist）

redis -> setnx [key] [value]
1

redis -> expire [key] [seconds]

使用 SETNX 创建键值对后，设置过期时间。

设置过期时间，目的是防止使用 SETNX 加锁到释放期间程序崩溃，导致锁无法被释放，从而导致无法被正常获取。

虽然这样能防止完全失去锁，但是加入过期时间会带来新的问题。

为了避免上述问题出现，应在删除操作时判断这把锁当前是否属于自己，当任务结束时，若锁（key）对应的 value 不为当前线程的信息，则不进行删除操作。

上述内容解决了分布式锁的误删除问题，但实际依然带来了其他问题。在上图的删除操作前，我们增加了判断逻辑，判断这把锁当前是否属于自己，而这个逻辑将使删除操作不再是一个原子性操作，如果不是原子性操作，就必然存在阻塞的可能。

我们来将图细化一下：

因此必须确保 判断锁并删除 这个行为是具备原子性的。

Redis 支持 Lua 脚本，在 Java 中可以使用 RedisTemplate 调用 Lua 脚本，保证 判断-删除 这个操作的原子性，即可解决以上问题。

此时请考虑第三个问题，setnx 和 expire 操作之间是否存在原子性问题，很显然是存在的：

但是所幸我们已经知道可以调用 Lua 去解决了：

Jedis jedis = new Jedis("localhost", 6379);
String lockKey = "mylock";
String lockValue = "locked";
// 超时单位（秒）
int lockTimeout = 10;

String script = "local lockKey = KEYS[1]\n" +
                "local lockValue = ARGV[1]\n" +
                "local lockTimeout = tonumber(ARGV[2])\n" +
                "if redis.call(\"SETNX\", lockKey, lockValue) == 1 then\n" +
                "    redis.call(\"EXPIRE\", lockKey, lockTimeout)\n" +
                "    return \"OK\"\n" +
                "else\n" +
                "    return nil\n" +
                "end";

List<String> keys = Collections.singletonList(lockKey);
List<String> args = Arrays.asList(lockValue, String.valueOf(lockTimeout));

String result = (String) jedis.eval(script, keys, args);
jedis.close();

if ("OK".equals(result)) {
    // 获取锁成功
} else {
    // 获取锁失败
}

Redis 还提供了另一个命令确保来实现类似于以上的 Lua 脚本逻辑，所以用 setnx 可能会存在问题，但是使用 Redis 不会出现获取锁时的原子性问题：

// NX： 当数据库中key不存在时，可以将key-value添加到数据库
// XX： 当数据库中key存在时，可以将key-value设置到数据库，与NX参数互斥
// EX： key的超时秒数。
// PX： key的超时毫秒数，与EX参数互斥
set key value [NX] [XX] [EX <seconds>] [PX <millseconds>]

Redisson 概述

上一章的简单模型还面临几个问题：

  1. 任务执行时间超过了设置的过期时间，锁还是会被释放
  2. 没有锁的可重入设计
  3. 没有获取锁失败重试机制
  4. 没有考虑 Redis 集群的情况

这里引入本文的主角 Redisson，直接参照源码对 Redisson 分布式锁部分进行解析。

首先还是要明确，Redis 通过 Lua 脚本实现原子性操作，因为 Redis 是单线程串行处理的。

此外通过 Lua 脚本复合操作可以减少网络开销。

类似 JVM 的热点代码，Redis 同样会缓存热点 Lua 脚本，避免频繁编译操作。

Lua 脚本通过 [SHA1 散列值]-[内容] 的形式存放在 Redis 的特定缓存区中。无论 Lua 脚本是否已经被缓存，使用后都会返回一个 SHA-1 散列值，后续可以直接通过 SHA-1 散列值来调用脚本。

我们已经知道获取锁并设置过期时间、判断并释放锁这类操作需要依赖 Lua 脚本，那么 Redisson 中是对这些基本操作封装好了 Lua 脚本吗？

这里可以查看 org.redisson.api.RScript 接口，它提供了以下几个方法：

// 通过 SHA-1 定位并执行缓存在 Redis 中的 Lua 脚本
<R> R evalSha(Mode mode, String shaDigest, ReturnType returnType, List<Object> keys, Object... values);
// 下面多传入的 key 与主键无关，而是用于定位集群中缓存 Lua 脚本的 Redis 节点
<R> R evalSha(String key, Mode mode, String shaDigest, ReturnType returnType, List<Object> keys, Object... values);

// 执行 Lua 脚本
<R> R eval(Mode mode, String luaScript, ReturnType returnType, List<Object> keys, Object... values);
// 多传入的 key 作用同上
<R> R eval(String key, Mode mode, String luaScript, ReturnType returnType, List<Object> keys, Object... values);

// 将 Lua 脚本存入 Redis 缓存并获取到 SHA-1 散列值
String scriptLoad(String luaScript);

// 通过 SHA-1 散列值检查缓存的脚本是否存在
List<Boolean> scriptExists(String... shaDigests);

// 刷新 Lua 脚本
void scriptFlush();

org.redisson.RedissonScript 类实现了 RScript 接口，并且引入了 Codec 和 CommandAsyncExecutor 两个类。

public class RedissonScript implements RScript {

    private final Codec codec;

    private final CommandAsyncExecutor commandExecutor;

    ...
}

其中，Codec 用于进行对象的序列化和反序列化。在 Redis 中，数据通常以字符串形式存储，但是在使用 Redisson 时，你可以存储和检索 Java 对象。为了在 Java 对象和 Redis 存储之间进行转换，需要使用编解码器 Codec。你可以根据自己的需要选择不同的编解码器，例如 JSON 编解码器、MsgPack 编解码器等。在 RedissonScript 中，Codec 的作用是用于在执行 Lua 脚本时，将 Java 对象转换为字节流，以便在 Lua 脚本中使用。

CommandAsyncExecutor 是 Redisson 执行 Redis 命令的执行器，负责与 Redis 服务器进行通信，发送命令并接收响应。从名字可以看出，它支持以异步方式与 Redis 服务器进行通信。