Redisson之分布式鎖原理全面分析

更新時(shí)間：2024年03月09日 16:15:38 作者：Charge8

這篇文章主要介紹了Redisson分布式鎖原理,具有很好的參考價(jià)值,希望對(duì)大家有所幫助,如有錯(cuò)誤或未考慮完全的地方,望不吝賜教

Redisson 分布式鎖使用

Redisson分布式鎖使用起來還是蠻簡(jiǎn)單的。

1、添加 Redisson 配置類

引入依賴：

		<dependency>
            <groupId>org.redisson</groupId>
            <artifactId>redisson</artifactId>
            <version>3.16.5</version>
        </dependency>

創(chuàng)建 Redisson 配置類，注入 RedissonClient客戶端。

@Configuration
public class RedissonConfig {

	@Value("${spring.redis.host}")
	private String host;

	@Value("${spring.redis.port}")
	private String port;

	@Value("${spring.redis.password}")
	private String password;

	@Bean
	public RedissonClient getRedisson() {
		Config config = new Config();
		/**
		 * reids配置，支持單機(jī)、主從、哨兵、集群等配置。這里使用單機(jī)配置
		 */
		config.useSingleServer().setAddress("redis://" + host + ":" + port).setPassword(password);
		return Redisson.create(config);
	}
}

2、使用 Redisson分布式鎖

代碼如下：

	@Autowired
	private RedisTemplate<String, String> redisTemplate;

	@Autowired
	private RedissonClient redissonClient;

	public void disLockDemo(long productId) {
		String lockKey = "DISTRIBUTE_LOCK:redissonLock:product_" + productId;

		//設(shè)置鎖定資源名稱，并獲取分布式鎖對(duì)象。
		RLock redissonLock = redissonClient.getLock(lockKey);
		//1.加鎖
		redissonLock.lock();
		//boolean isLock = disLock.tryLock(500, 15000, TimeUnit.MILLISECONDS);
		try {
			//2.執(zhí)行業(yè)務(wù)代碼
			// TODO
            
            //if (isLock) {
				// TODO
			//}
		} finally {
			//3.解鎖
			redissonLock.unlock();
		}
	}

Redisson 分布式鎖源碼分析

使用分布式鎖必須要考慮的一些問題：

互斥性：在任意時(shí)刻，只能有一個(gè)進(jìn)程持有鎖。
防死鎖：即使有一個(gè)進(jìn)程在持有鎖的期間崩潰而未能主動(dòng)釋放鎖，要有其他方式去釋放鎖從而保證其他進(jìn)程能獲取到鎖。
不能釋放別人的鎖：加鎖和解鎖的必須是同一個(gè)進(jìn)程。
鎖的續(xù)期問題：業(yè)務(wù)執(zhí)行時(shí)間超過鎖的過期時(shí)間時(shí)，需要提前給鎖的續(xù)期。

Redisson 是 Redis 官方推薦分布式鎖實(shí)現(xiàn)方案，它采用 Watch Dog機(jī)制能夠很好的解決鎖續(xù)期的問題。

執(zhí)行 lua腳本保證了多條命令執(zhí)行的原子性操作。

帶著上面分布式鎖的一些問題查看源碼。

1、獲取分布式鎖對(duì)象

簡(jiǎn)單了解一下。

1.1 創(chuàng)建 RedissonClient

我們?cè)谂渲妙愔型ㄟ^ Redisson.create(config)方法創(chuàng)建了 RedissonClient對(duì)象，并注入到 IOC容器中。

1.2 獲取分布式鎖對(duì)象

使用 Redisson 客戶端來獲取分布式鎖對(duì)象。

2、加鎖代碼

    private void lock(long leaseTime, TimeUnit unit, boolean interruptibly) throws InterruptedException {
        //線程id
        long threadId = Thread.currentThread().getId();
        // 1.嘗試獲取鎖
        Long ttl = this.tryAcquire(-1L, leaseTime, unit, threadId);
        if (ttl != null) {
            RFuture<RedissonLockEntry> future = this.subscribe(threadId);
            if (interruptibly) {
                this.commandExecutor.syncSubscriptionInterrupted(future);
            } else {
                this.commandExecutor.syncSubscription(future);
            }

            try {
                //2.死循環(huán)，反復(fù)去調(diào)用tryAcquire嘗試獲取鎖
                while(true) {
                    // 再次嘗試獲取鎖
                    ttl = this.tryAcquire(-1L, leaseTime, unit, threadId);
                    // ttl為null時(shí)表示別的線程已經(jīng)unlock了，自己加鎖成功
                    if (ttl == null) {
                        return;
                    }
                    // 3.鎖互斥:通過 JDK的信號(hào)量 Semaphore來阻塞線程
                    if (ttl >= 0L) {
                        try {                                                  
                            ((RedissonLockEntry)future.getNow()).getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);
                        } catch (InterruptedException var13) {
                            if (interruptibly) {
                                throw var13;
                            }

                            ((RedissonLockEntry)future.getNow()).getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);
                        }
                    } else if (interruptibly) {
                        ((RedissonLockEntry)future.getNow()).getLatch().acquire();
                    } else {
                        ((RedissonLockEntry)future.getNow()).getLatch().acquireUninterruptibly();
                    }
                }
            } finally {
                // 4.無論是否獲得鎖,都要取消訂閱解鎖消息
                this.unsubscribe(future, threadId);
            }
        }
    }

2.1 異步加鎖機(jī)制

查看 tryAcquire()加鎖方法。

通過源碼，看到加鎖其實(shí)是通過一段 lua 腳本實(shí)現(xiàn)的，如下：

if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then
    redis.call('hincrby', 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]);

KEYS[1] 代表的是你加鎖的 key。
ARGV[1] 代表的是鎖 key 的默認(rèn)生存時(shí)間，默認(rèn) 30 秒。
ARGV[2] 代表的是加鎖的客戶端的線程 ID。通過 getLockName方法組裝了一下。
ARGV[2] 后面的 1：為了支持可重入鎖做的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)。

Redisson 實(shí)現(xiàn)分布式鎖的共享資源的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是 hash數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

key 是鎖的名稱，field 是客戶端 ID，value 是該客戶端加鎖（可重入）的次數(shù)。

假設(shè)此時(shí)，客戶端 1 來嘗試加鎖，查看加鎖的 lua 腳本：

第一段 if 判斷語句，如果你要加鎖的那個(gè)鎖 key 不存在的話，進(jìn)行加鎖。此時(shí)鎖 key不存在，向Redis中設(shè)置一個(gè) hash 結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，則客戶端 1加鎖成功，返回 null。

2.1.1 鎖的續(xù)期機(jī)制

客戶端 1 加鎖的那個(gè)鎖 key 默認(rèn)生存時(shí)間才 30 秒，如果超過了 30 秒，客戶端 1 還想一直持有這把鎖，就需要提前進(jìn)行鎖的續(xù)期操作。

Redisson 提供了一個(gè) Watch dog 機(jī)制來解決鎖的續(xù)期問題，只要客戶端 1 一旦加鎖成功，就會(huì)啟動(dòng)一個(gè) Watch Dog。

進(jìn)入 scheduleExpirationRenewal方法，重點(diǎn)查看 renewExpiration方法。

鎖續(xù)期的 lua 腳本如下：

if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then
    redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]);
    return 1;
end ;
return 0;

從源碼我們看到 leaseTime 必須是 -1 才會(huì)開啟 Watch Dog 機(jī)制，我們發(fā)現(xiàn)：

如果想開啟 Watch Dog 機(jī)制必須使用默認(rèn)的加鎖時(shí)間為 30s。
如果自己自定義時(shí)間，即使用 tryLock，鎖并不會(huì)延長(zhǎng)，不會(huì)觸發(fā)Watch Dog 機(jī)制。

Watch Dog 機(jī)制其實(shí)就是一個(gè)后臺(tái)定時(shí)任務(wù)線程，獲取鎖成功之后，會(huì)將持有鎖的線程放入到一個(gè) RedissonLock.EXPIRATION_RENEWAL_MAP里面，

然后每隔 10 秒（internalLockLeaseTime / 3）檢查一下，如果客戶端 1 還持有鎖 key（判斷客戶端是否還持有 key，

其實(shí)就是遍歷 EXPIRATION_RENEWAL_MAP 里面線程 id 然后根據(jù)線程 id 去 Redis 中查，

如果存在就會(huì)延長(zhǎng) key 的時(shí)間），那么就會(huì)不斷的延長(zhǎng)鎖 key 的生存時(shí)間。

如果服務(wù)宕機(jī)了，Watch Dog 機(jī)制線程也就沒有了，此時(shí)就不會(huì)延長(zhǎng) key 的過期時(shí)間，到了 30s 之后就會(huì)自動(dòng)過期了，其他線程就可以獲取到鎖。

2.1.2 可重入加鎖機(jī)制

Redisson 也是支持可重入鎖的，比如：客戶端 1 加鎖代碼：

@Override
public void demo() {
    RLock lock = redissonSingle.getLock("myLock");
    try {
        lock.lock();
        // TODO 執(zhí)行業(yè)務(wù)
        //鎖重入
        lock.lock();
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        // 釋放鎖
        lock.unlock();
        lock.unlock();
    }
}

此時(shí)，如果客戶端 1 又來嘗試加鎖，繼續(xù)分析加鎖的 lua 腳本。

首先，第一個(gè) if 判斷，你要加鎖的那個(gè)鎖 key 已經(jīng)存在了。
然后，第二個(gè) if 判斷，判斷一下，加鎖的那個(gè)鎖 key的 hash 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，是否包含客戶端 1 的 ID，
此時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的是客戶端 1 的 ID，即包含客戶端 1的 ID，然后就執(zhí)行行可重入鎖的命令，將 hash 結(jié)構(gòu)的 value數(shù)據(jù) + 1，返回 null。

2.2 鎖互斥機(jī)制

上面客戶端 1加鎖成功，此時(shí)，如果客戶端 2 來嘗試加鎖，繼續(xù)分析加鎖的 lua 腳本：

首先，第一個(gè) if 判斷，你要加鎖的那個(gè)鎖 key 已經(jīng)存在了。
然后，第二個(gè) if 判斷，判斷一下，加鎖的那個(gè)鎖 key的 hash 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，是否包含客戶端 2 的 ID，如果包含就是執(zhí)行可重入鎖的賦值，此時(shí) hash數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是客戶端 1 的 ID，不包含客戶端 2的 ID，所以，返回加鎖的那個(gè)鎖 key的剩余存活時(shí)間。

接著查看 lock方法中的死循環(huán)部分。

流程大致如下：

嘗試獲取鎖，返回 null 則說明加鎖成功，返回一個(gè)ttl，則說明已經(jīng)存在該鎖，ttl 為鎖的剩余存活時(shí)間。
如果此時(shí)客戶端 2 進(jìn)程獲取鎖失敗，那么使用客戶端 2 的線程 id，通過 Redis 的 channel 訂閱鎖釋放的事件。
進(jìn)入死循環(huán)中，嘗試重新獲取鎖。
如果在重試中拿到了鎖，則直接返回。
如果鎖當(dāng)前還是被占用的，那么等待釋放鎖的消息。通過使用了 JDK 的信號(hào)量 Semaphore 來阻塞線程，當(dāng) ttl 為鎖的剩余存活時(shí)間為0后，信號(hào)量的 release() 方法會(huì)被調(diào)用，此時(shí)被信號(hào)量阻塞的等待隊(duì)列中的一個(gè)線程就可以繼續(xù)嘗試獲取鎖了。

注意：

當(dāng)鎖正在被占用時(shí)，等待獲取鎖的進(jìn)程并不是真正通過一個(gè) while(true) 死循環(huán)去獲取鎖（占 CPU資源），而時(shí)使用 JDK 的信號(hào)量 Semaphore 來阻塞線程（間斷性的不斷嘗試獲取鎖），是會(huì)釋放 CPU資源的。

3、鎖釋放代碼

    public RFuture<Void> unlockAsync(long threadId) {
        RPromise<Void> result = new RedissonPromise();
        // 1. 異步釋放鎖
        RFuture<Boolean> future = this.unlockInnerAsync(threadId);
        // 2. 取消 Watch Dog 機(jī)制
        future.onComplete((opStatus, e) -> {
            this.cancelExpirationRenewal(threadId);
            if (e != null) {
                result.tryFailure(e);
            } else if (opStatus == null) {
                IllegalMonitorStateException cause = new IllegalMonitorStateException("attempt to unlock lock, not locked by current thread by node id: " + this.id + " thread-id: " + threadId);
                result.tryFailure(cause);
            } else {
                result.trySuccess((Object)null);
            }
        });
        return result;
    }

3.1 異步釋放鎖機(jī)制

查看unlockInnerAsync方法。

釋放鎖也是執(zhí)行的 lua 腳本：

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;

首先，第一段 if 判斷語句，判斷 key 是否存在的話，進(jìn)行加鎖。此時(shí)鎖 key不存在，則客戶端 1加鎖成功，向Redis中設(shè)置一個(gè) hash 結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。返回 null。

然后，第二個(gè) if 判斷，判斷一下該客戶端對(duì)應(yīng)的鎖的 hash 結(jié)構(gòu)的 value 值是否遞減為 0，