基於Redis分散式鎖的正確開啟方式

【雨歌】發表於2020-07-16
Redis分散式

分散式鎖是在分散式環境下（多個JVM程式）控制多個客戶端對某一資源的同步訪問的一種實現，與之相對應的是執行緒鎖，執行緒鎖控制的是同一個JVM程式內多個執行緒之間的同步。分散式鎖的一般實現方法是在應用伺服器之外通過一個共享的儲存伺服器儲存鎖資源，同一時刻只有一個客戶端能佔有鎖資源來完成。通常有基於Zookeeper，Redis，或資料庫三種實現形式。本文介紹基於Redis的實現方案。

要求

基於Redis實現分散式鎖需要滿足如下幾點要求：

  1. 在分散式叢集中，被分散式鎖控制的方法或程式碼段同一時刻只能被一個客戶端上面的一個執行緒執行，也就是互斥
  2. 鎖資訊需要設定過期時間，避免一個執行緒長期佔有（比如在做解鎖操作前異常退出）而導致死鎖
  3. 加鎖與解鎖必須一致，誰加的鎖，就由誰來解（或過期超時），一個客戶端不能解開另一個客戶端加的鎖
  4. 加鎖與解鎖的過程必須保證原子性

實現

1. 加鎖實現

基於Redis的分散式鎖加鎖操作一般使用 SETNX 命令，其含義是“將 key 的值設為 value ，當且僅當 key 不存在。若給定的 key 已經存在，則 SETNX 不做任何動作”。
在 Spring Boot 中，可以使用 StringRedisTemplate 來實現，如下，一行程式碼即可實現加鎖過程。（下列程式碼給出兩種呼叫形式——立即返回加鎖結果與給定超時時間獲取加鎖結果）

/**
    * 嘗試獲取鎖（立即返回）
    * @param key  鎖的redis key
    * @param value 鎖的value
    * @param expire 過期時間/秒
    * @return 是否獲取成功
    */
public boolean lock(String key, String value, long expire) {
    return stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, value, expire, TimeUnit.SECONDS);
}

/**
    * 嘗試獲取鎖，並至多等待timeout時長
    *
    * @param key  鎖的redis key
    * @param value 鎖的value
    * @param expire 過期時間/秒
    * @param timeout 超時時長
    * @param unit    時間單位
    * @return 是否獲取成功
    */
public boolean lock(String key, String value, long expire, long timeout, TimeUnit unit) {
    long waitMillis = unit.toMillis(timeout);
    long waitAlready = 0;

    while (!stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, value, expire, TimeUnit.SECONDS) && waitAlready < waitMillis) {
        try {
            Thread.sleep(waitMillisPer);
        } catch (InterruptedException e) {
            log.error("Interrupted when trying to get a lock. key: {}", key, e);
        }
        waitAlready += waitMillisPer;
    }

    if (waitAlready < waitMillis) {
        return true;
    }
    log.warn("<====== lock {} failed after waiting for {} ms", key, waitAlready);
    return false;
}

上述實現如何滿足前面提到的幾點要求：

  1. 客戶端互斥： 可以將expire過期時間設定為大於同步程式碼的執行時間，比如同步程式碼塊執行時間為1s，則可將expire設定為3s或5s。避免同步程式碼執行過程中expire時間到，其它客戶端又可以獲取鎖執行同步程式碼塊。
  2. 通過設定過期時間expire來避免某個客戶端長期佔有鎖。
  3. 通過value來控制誰加的鎖，由誰解的邏輯，比如可以使用requestId作為value，requestId唯一標記一次請求。
  4. setIfAbsent方法 底層通過呼叫 Redis 的 SETNX 命令，操作具備原子性。

錯誤示例：

網上有如下實現，

public boolean lock(String key, String value, long expire) {
    boolean result = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, value);
    if(result) {
        stringRedisTemplate.expire(key, expire, TimeUnit.SECONDS);
    }
    return result;
}

該實現的問題是如果在result為true，但還沒成功設定expire時，程式異常退出了，將導致該鎖一直被佔用而導致死鎖，不滿足第二點要求。

2. 解鎖實現

解鎖也需要滿足前面所述的四個要求，實現程式碼如下：

private static final String RELEASE_LOCK_LUA_SCRIPT = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
private static final Long RELEASE_LOCK_SUCCESS_RESULT = 1L;
/**
    * 釋放鎖
    * @param key  鎖的redis key
    * @param value 鎖的value
    */
public boolean unLock(String key, String value) {
    DefaultRedisScript<Long> redisScript = new DefaultRedisScript<>(RELEASE_LOCK_LUA_SCRIPT, Long.class);
    long result = stringRedisTemplate.execute(redisScript, Collections.singletonList(key), value);
    return Objects.equals(result, RELEASE_LOCK_SUCCESS_RESULT);
}

這段實現使用一個Lua指令碼來實現解鎖操作，保證操作的原子性。傳入的value值需與該執行緒加鎖時的value一致，可以使用requestId（具體實現下面給出）。

錯誤示例：

   public boolean unLock(String key, String value) {
        String oldValue = stringRedisTemplate.opsForValue().get(key);
        if(value.equals(oldValue)) {
            stringRedisTemplate.delete(key);
        }
}

該實現先獲取鎖的當前值，判斷兩值相等則刪除。考慮一種極端情況，如果在判斷為true時，剛好該鎖過期時間到，另一個客戶端加鎖成功，則接下來的delete將不管三七二十一將別人加的鎖直接刪掉了，不滿足第三點要求。該示例主要是因為沒有保證解鎖操作的原子性導致。

3. 註解支援

為了方便使用，新增一個註解，可以放於方法上控制方法在分散式環境中的同步執行。

/**
* 標註在方法上的分散式鎖註解
*/
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface DistributedLockable {
    String key();
    String prefix() default "disLock:";
    long expire() default 10L; // 預設10s過期
}

新增一個切面來解析註解的處理，

/**
* 分散式鎖註解處理切面
*/
@Aspect
@Slf4j
public class DistributedLockAspect {

    private DistributedLock lock;

    public DistributedLockAspect(DistributedLock lock) {
        this.lock = lock;
    }

    /**
     * 在方法上執行同步鎖
     */
    @Around(value = "@annotation(lockable)")
    public Object distLock(ProceedingJoinPoint point, DistributedLockable lockable) throws Throwable {
        boolean locked = false;
        String key = lockable.prefix() + lockable.key();
        try {
            locked = lock.lock(key, WebUtil.getRequestId(), lockable.expire());
            if(locked) {
                return point.proceed();
            } else {
                log.info("Did not get a lock for key {}", key);
                return null;
            }
        } catch (Exception e) {
            throw e;
        } finally {
            if(locked) {
                if(!lock.unLock(key, WebUtil.getRequestId())){
                    log.warn("Unlock {} failed, maybe locked by another client already. ", lockable.key());
                }
            }
        }
    }
}

RequestId 的實現如下，通過註冊一個Filter，在請求開始時生成一個uuid存於ThreadLocal中，在請求返回時清除。

public class WebUtil {

    public static final String REQ_ID_HEADER = "Req-Id";

    private static final ThreadLocal<String> reqIdThreadLocal = new ThreadLocal<>();

    public static void setRequestId(String requestId) {
        reqIdThreadLocal.set(requestId);
    }

    public static String getRequestId(){
        String requestId = reqIdThreadLocal.get();
        if(requestId == null) {
            requestId = ObjectId.next();
            reqIdThreadLocal.set(requestId);
        }
        return requestId;
    }

    public static void removeRequestId() {
        reqIdThreadLocal.remove();
    }
}

public class RequestIdFilter implements Filter {
    @Override
    public void doFilter(ServletRequest servletRequest, ServletResponse servletResponse, FilterChain filterChain) throws IOException, ServletException {
        HttpServletRequest httpServletRequest = (HttpServletRequest) servletRequest;
        String reqId = httpServletRequest.getHeader(WebUtil.REQ_ID_HEADER);
        //沒有則生成一個
        if (StringUtils.isEmpty(reqId)) {
            reqId = ObjectId.next();
        }
        WebUtil.setRequestId(reqId);
        try {
            filterChain.doFilter(servletRequest, servletResponse);
        } finally {
            WebUtil.removeRequestId();
        }
    }
}

//在配置類中註冊Filter

/**
* 新增RequestId
* @return
*/
@Bean
public FilterRegistrationBean requestIdFilter() {
    RequestIdFilter reqestIdFilter = new RequestIdFilter();
    FilterRegistrationBean registrationBean = new FilterRegistrationBean();
    registrationBean.setFilter(reqestIdFilter);
    List<String> urlPatterns = Collections.singletonList("/*");
    registrationBean.setUrlPatterns(urlPatterns);
    registrationBean.setOrder(Ordered.HIGHEST_PRECEDENCE + 1);
    return registrationBean;
}

4. 使用註解

@DistributedLockable(key = "test", expire = 10)
public void test(){
    System.out.println("執行緒-"+Thread.currentThread().getName()+"開始執行..." + LocalDateTime.now());
    try {
        Thread.sleep(2000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("執行緒-"+Thread.currentThread().getName()+"結束執行..." + LocalDateTime.now());
}

總結

本文給出了基於Redis的分散式鎖的實現方案與常見的錯誤示例。要保障分散式鎖的正確執行，需滿足本文所提的四個要求，尤其注意保證加鎖解鎖操作的原子性，設定過期時間，及對同一個鎖的加鎖解鎖執行緒一致。原文地址： http://blog.jboost.cn/distributedlock.html

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作者：雨歌
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