Redisson 分散式鎖實現之原始碼篇 → 為什麼推薦用 Redisson 客戶端

青石路發表於2021-07-05

Redis分散式原始碼客戶端

開心一刻

　　一男人站在樓頂準備跳樓，樓下有個勸解員拿個喇叭準備勸解

　　勸解員：兄弟，別跳

　　跳樓人：我不想活了

　　勸解員：你想想你媳婦

　　跳樓人：媳婦跟人跑了

　　勸解員：你還有兄弟

　　跳樓人：就是跟我兄弟跑的

　　勸解員：你想想你家孩子

　　跳樓人：孩子是他倆的

　　勸解員：死吧，媽的你活著也沒啥價值了

Redisson 分散式鎖實現之原始碼篇 → 為什麼推薦用 Redisson 客戶端

前言

　　關於鎖，相信大家都不陌生，一般我們用其在多執行緒環境中控制對共享資源的併發訪問

　　單服務下，用 JDK 中的 synchronized 或 Lock 的實現類可實現對共享資源的併發訪問

　　分散式服務下，JDK 中的鎖就顯得力不從心了，分散式鎖也就應運而生了

　　分散式鎖的實現方式有很多，常見的有如下幾種

　　　　基於 MySQL，利用行級悲觀鎖（select ... for update）

　　　　基於 Redis，利用其（setnx + expire）或 set

　　　　基於 Zookeeper，利用其臨時目錄和事件回撥機制

　　具體的實現細節就不展開了，網上資料很多

　　看下文之前最好先看下：Redisson 分散式鎖實現之前置篇 → Redis 的釋出/訂閱與 Lua，方便更好的理解下文

分散式鎖的特點

　　可以類比 JDK 中的鎖

　　互斥

　　　　不僅要保證同個服務中不同執行緒的互斥，還需要保證不同服務間、不同執行緒的互斥

　　　　如何處理互斥，是自旋、還是阻塞，還是其他？

　　超時

　　　　鎖超時設定，防止程式異常奔潰而導致鎖一直存在，後續同把鎖一直加不上

　　續期

　　　　程式具體執行的時長無法確定，所以過期時間只能是個估值，那麼就不能保證程式在過期時間內百分百能執行完

　　　　所以需要進行鎖續期，保證業務能夠正常執行完

　　可重入

　　　　可重入鎖又名遞迴鎖，是指同一個執行緒在外層方法已經獲得鎖，再進入該執行緒的中層或內層方法會自動獲取鎖

　　　　簡單點來說，就是同個執行緒可以反覆獲取同一把鎖

　　專一釋放

　　　　通俗點來講：誰加的鎖就只有它能釋放這把鎖

　　　　為什麼會出現這種錯亂釋放的問題了，舉個例子就理解了

　　　　　　執行緒 T1 對資源 lock_zhangsan 加了鎖，由於某些原因，加鎖業務還未執行完，鎖過期自動釋放了，此時執行緒 T2 對資源 lock_zhangsan 加鎖成功

　　　　　　T2 執行業務的時候，T1 業務執行完後釋放資源 lock_zhangsan 的鎖，結果把 T2 加的鎖給釋放了

　　公平與非公平

　　　　公平鎖：多個執行緒按照申請鎖的順序去獲得鎖，所有執行緒都在佇列裡排隊，這樣就保證了佇列中的第一個先得到鎖

　　　　非公平鎖：多個執行緒不按照申請鎖的順序去獲得鎖，而是同時直接去嘗試獲取鎖

　　　　JDK 中的 ReentrantLock 就有公平和非公平兩種實現，有興趣的可以去看看它的原始碼

　　　　多數情況下用的是非公平鎖，但有些特殊情況下需要用公平鎖

　　很多小夥伴覺得：引入一個簡單的分散式鎖，有必要考慮這麼多嗎？

　　雖然絕大部分情況下，我們的程式都是在跑正常流程，但不能保證異常情況 100% 跑不到，出於健壯性考慮，異常情況都需要考慮到

　　下面我們就來看看 Redisson 是如何實現這些特點的

Redisson 實現分散式鎖

　　關於 Redisson，更多詳細資訊可檢視官方文件

　　Redisson 是 Redis 官方推薦的 Java 版的 Redis 客戶端，它提供了非常豐富的功能，其中就包括本文關注的分散式鎖

　　環境準備

　　　　簡單示例開始之前，我們先看下環境；版本不同，會有一些差別

　　　　JDK：1.8

　　　　Redis：3.2.8

　　　　Redisson：3.13.6

　　簡單示例

　　　　先將 Redis 資訊配置給 Redisson，建立出 RedissonClient

　　　　Redis 的部署方式不同，Redisson 配置模式也會不同，詳細資訊可檢視：Configuration

　　　　我們就配置最簡單的 Single instance mode

　　　　RedissonClient 建立出來後，就可以通過它來獲取鎖

　　　　完整示例程式碼：redisson-demo

　　接下來我們從原始碼層面一起看看 Redisson 具體是如何實現分散式鎖的特點的

客戶端建立

　　客服端的建立過程中，會生成一個 id 作為唯一標識，用以區分分散式下不同節點中的客戶端

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　　id 值就是一個 UUID，客戶端啟動時生成

　　那麼這個 id 有什麼用，大家暫且在腦中留下這個疑問，我們接著往下看

鎖的獲取

　　我們從 lock 開始跟原始碼

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　　最終會來到有三個引數的 lock 方法

    private void lock(long leaseTime, TimeUnit unit, boolean interruptibly) throws InterruptedException {
        long threadId = Thread.currentThread().getId();
        
        // 嘗試獲取鎖；ttl為null表示鎖獲取成功; ttl不為null表示獲取鎖失敗，其值為其他執行緒佔用該鎖的剩餘時間
        Long ttl = tryAcquire(-1, leaseTime, unit, threadId);
        // lock acquired
        if (ttl == null) {
            return;
        }

        // 鎖被其他執行緒佔用而獲取失敗,使用redis的釋出訂閱功能來等待鎖的釋放通知，而非自旋監測鎖的釋放
        RFuture<RedissonLockEntry> future = subscribe(threadId);
        
        // 當前執行緒會阻塞，直到鎖被釋放時當前執行緒被喚醒（有超時等待，預設 7.5s，而不會一直等待）
        // 持有鎖的執行緒釋放鎖之後，redis會發布訊息，所有等待該鎖的執行緒都會被喚醒，包括當前執行緒
        if (interruptibly) {
            commandExecutor.syncSubscriptionInterrupted(future);
        } else {
            commandExecutor.syncSubscription(future);
        }

        try {
            while (true) {
                // 嘗試獲取鎖；ttl為null表示鎖獲取成功; ttl不為null表示獲取鎖失敗，其值為其他執行緒佔用該鎖的剩餘時間
                ttl = tryAcquire(-1, leaseTime, unit, threadId);
                // lock acquired
                if (ttl == null) {
                    break;
                }

                // waiting for message
                if (ttl >= 0) {
                    try {
                        // future.getNow().getLatch() 返回的是 Semaphore 物件，其初始許可證為 0，以此來控制執行緒獲取鎖的順序
                        // 通過 Semaphore 控制當前服務節點競爭鎖的執行緒數量
                        future.getNow().getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        if (interruptibly) {
                            throw e;
                        }
                        future.getNow().getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);
                    }
                } else {
                    if (interruptibly) {
                        future.getNow().getLatch().acquire();
                    } else {
                        future.getNow().getLatch().acquireUninterruptibly();
                    }
                }
            }
        } finally {
            // 退出鎖競爭(鎖獲取成功或者放棄獲取鎖),則取消鎖的釋放訂閱
            unsubscribe(future, threadId);
        }
//        get(lockAsync(leaseTime, unit));
    }

View Code

　　主要是三個點：嘗試獲取鎖、訂閱、取消訂閱；我們一個一個來看

　　嘗試獲取鎖

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　　嘗試獲取鎖主要做了兩件事：1、嘗試獲取鎖，2、鎖續期

　　嘗試獲取鎖主要涉及到一段 lua 程式碼

　　結合我的上篇文章來看，這個 lua 指令碼還是很好理解的

　　　　1、用 exists 判斷 key 不存在，則用 hash 結構來存放鎖，key = 資源名，field = uuid + : + threadId，value 自增 1

　　　　　　設定鎖的過期時間（預設是 lockWatchdogTimeout = 30 * 1000 毫秒），並返回 nil

　　　　2、用 hexists 判斷 field = uuid + : + threadId 存在

　　　　　　則該 field 的 value 自增 1，並重置過期時間，最後返回 nil

　　　　　　這裡相當於實現了鎖的重入

　　　　3、上面兩種情況都不滿足，則說明鎖被其他執行緒佔用了，直接返回鎖的過期時間

　　這裡有個疑問：為什麼 field = uuid + : + threadId，而不是 field = threadId

　　　　友情提示下：從多個服務（也就是多個 Redisson 客戶端）來考慮

　　　　這個問題想清楚了，那麼前面提到的：在 Redisson 客戶端建立的過程中生成的 id（一個隨機的 uuid 值），它的作用也就清楚了

　　在獲取鎖成功之後，會啟一個定時任務實現鎖續期，也涉及到一段 lua 指令碼

　　這段指令碼很簡單，相信大家都能看懂

　　預設情況下，鎖的過期時間是 30s，鎖獲取成功之後每隔 10s 進行一次鎖續期，重置過期時間成 30s

　　若鎖已經被釋放了，則定時任務也會停止，不會再續期

　　取消訂閱

　　有訂閱，肯定就有取消訂閱；當阻塞的執行緒被喚醒並獲取到鎖時需要取消對鎖頻道的訂閱

　　當然，取消獲取鎖的執行緒也需要取消對鎖頻道的訂閱

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　　比較好理解，就是取消當前執行緒對鎖頻道的訂閱

鎖的釋放

　　我們從 unlock 開始

　　程式碼比較簡單，我們繼續往下跟

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　　主要有兩點：1、鎖釋放，2、取消續期定時任務

　　鎖釋放

　　　　重點在於一個 lua 指令碼

　　　　我們把引數具象化，指令碼就好理解了

　　　　　　KEYS[1] = 鎖資源，KEYS[2] = 鎖頻道

　　　　　　ARGV[1] = 鎖頻道訊息型別，ARGV[2] = 過期時間，ARGV[3] = uuid + : + threadId

　　　　1、如果當前執行緒未持有鎖，直接返回 nil

　　　　2、hash 結構的 field 的 value 自減 1，counter = 自減後的 value 值

　　　　　　如果 counter > 0，表示執行緒重入了，重置鎖的過期時間，返回 0

　　　　　　如果 counter <= 0，刪除鎖，並對鎖頻道釋出鎖釋放訊息（頻道訂閱者則可收到訊息，然後喚醒執行緒去獲取鎖），返回 1

　　　　3、上面 1、2 都不滿足，則直接返回 nil

　　　　兩個細節：1、重入鎖的釋放，2、鎖徹底釋放後的訊息釋出

　　取消續期定時任務

　　比較簡單，沒什麼好說的

總結

　　我們從分散式鎖的特點出發，來總結下 Redisson 是如何實現這些特點的

　　互斥

　　Redisson 採用 hash 結構來存鎖資源，通過 lua 指令碼對鎖資源進行操作，保證執行緒之間的互斥

　　互斥之後，未獲取到鎖的執行緒會訂閱鎖頻道，然後進入一定時長的阻塞

　　超時

　　有超時設定，給 hash 結構的 key 加上過期時間，預設是 30s