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Redis分布式锁的实现

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环境准备

我比较喜欢做全套的,一个Redis分布式锁的应用示例,我准备了Redis各种环境、SpringBoot部署两个服务、用tengine做这两个服务的负载均衡、用Jmeter做压力测试,可谓是麻雀虽小,五脏俱全。

关于Redis各种模式环境的搭建,我已经准备了一篇文章:

Redis各种模式部署及工作原理-单节点、主从复制、redis-sentinel(哨兵)以及redis-cluster(集群)

欢迎批评指正。

本文Redis分布式锁,从Redis单节点、主从、哨兵、集群各种环境都操练一下,其实主要玩的是配置,配置对了,调用接口就可以了。

我已经准备好了Redis各种环境,我们分布式锁代码实现就基于这一系列环境。

单节点

主机名称角色IP地址端口
redis-standalone192.168.2.116379

主从(1主3从)

主机名称角色IP地址端口
Redis-Master-01Master192.168.2.209736
Redis-Slave-02Slave192.168.2.219736
Redis-Slave-03Slave192.168.2.229736
Redis-Slave-04Slave192.168.2.239736

哨兵(1主3从3sentinel)

主机名称角色IP地址端口
Redis-Master-01Master192.168.2.209736
Redis-Slave-02Slave192.168.2.219736
Redis-Slave-03Slave192.168.2.229736
Redis-Slave-04Slave192.168.2.239736
Redis-Sentinel-01Sentinel192.168.2.3029736
Redis-Sentinel-02Sentinel192.168.2.3129736
Redis-Sentinel-03Sentinel192.168.2.3229736

集群(3主3从)

主机名称角色IP地址端口
Redis-Cluster-01Master192.168.2.506379
Redis-Cluster-01Slave192.168.2.506380
Redis-Cluster-02Master192.168.2.516379
Redis-Cluster-02Slave192.168.2.516380
Redis-Cluster-03Master192.168.2.526379
Redis-Cluster-03Slave192.168.2.526380

分布式锁应用举例

我之前怼过基于etcdzookeeper的分布式锁的实现,用的例子是秒杀场景,扣减库存,这也是比较经典的使用分布式锁的业务场景。

还有比Redis更骚的分布式锁的实现方式吗?有,etcd!

用ZooKeeper实现分布式锁

本次换一个搞法,我们对一篇文章的阅读量进行分布式操作,使用Redis分布式锁对文章的阅读量这个共享资源进行控制。

# 存储阅读量
set pview 0

使用tengine(nginx)做负载均衡

tengine主机信息:

主机名称角色IP地址端口
nginx-node负载均衡192.168.2.1080

后面做压力测试的过程中会只通过一个地址,对两个服务(8080/8090)做负载均衡,nginx简单配置如下:

...

upstream distributed-lock {
    server 192.168.2.1:8080 weight=1;
    server 192.168.2.1:8090 weight=1;
}    

server {
    listen       80;
    server_name  localhost;

    location / {
        root   html;
        index  index.html index.htm;
        proxy_pass http://distributed-lock;
    }
    ...
}
...

JMeter压力测试配置

模拟同一时刻发出666个请求:

Redis分布式锁的实现

Redis分布式锁的实现

轮子:Redisson

Redisson对Redis分布式锁的实现有相当好的支持,其实现机制:

(1)加锁机制:根据hash节点选择一个客户端执行lua脚本

(2)锁互斥机制:再来一个客户端执行同样的lua脚本会提示已经存在锁,然后进入循环一直尝试加锁

(3)可重入机制

(4)watch dog自动延期机制

(5)释放锁机制

Redis分布式锁的实现

代码实现

不加锁

@RequestMapping("/v1/pview")
public String incrPviewWithoutLock() {
    //阅读量增加1
    long pview = redissonClient.getAtomicLong("pview").incrementAndGet();
    LOGGER.info("{}线程执行阅读量加1,当前阅读量:{}", Thread.currentThread().getName(), pview);
    return port + " increase pview end!";
}

同一时刻并发请求666个,来看一下结果:

Redis分布式锁的实现

Redis分布式锁的实现

Redis分布式锁的实现

666个请求,最终结果才是34!

加synchronized同步锁

从刚才的结果可以看出,在8080和8090这两个JVM进程中均有重复的,所以我们改进一下,加一个synchronized同步锁,再看一下执行情况。

@RequestMapping("/v2/pview")
public String incrPviewWithSync() {
    synchronized (this) {
        //阅读量增加1
        int oldPview = Integer.valueOf((String) redissonClient.getBucket("pview", new StringCodec()).get());
        int newPview = oldPview + 1;
        redissonClient.getBucket("pview", new StringCodec()).set(String.valueOf(newPview));
        LOGGER.info("{}线程执行阅读量加1,当前阅读量:{}", Thread.currentThread().getName(), newPview);
    }
    return port + " increase pview end!";
}

结果并不是预期的666,而是391:

Redis分布式锁的实现

Redis分布式锁的实现

Redis分布式锁的实现

这个时候可以看到,虽然两个端口各自的服务内没有重复的了,但是8080和8090两个服务的进程有重复对同一个pview的值进行+1的。

也就是说,synchronized只能解决进程内的并发问题不能解决分布式系统带来的操作共享资源问题

主角登场-分布式锁

解决分布式系统下的操作共享资源的问题,用分布式锁

完整代码:github.com/xblzer/dist…

构造RedissonClient

public PviewController(RedisConfiguration redisConfiguration) {
    RedissonManager redissonManager;
    switch (redisConfiguration.deployType) {
        case "single":
            redissonManager = new SingleRedissonManager();
            break;
        case "master-slave":
            redissonManager = new MasterSlaveRedissonManager();
            break;
        case "sentinel":
            redissonManager = new SentinelRedissonManager();
            break;
        case "cluster":
            redissonManager = new ClusterRedissonManager();
            break;
        default:
            throw new IllegalStateException("Unexpected value: " + redisConfiguration.deployType);
    }
    this.redissonClient = redissonManager.initRedissonClient(redisConfiguration);
}

这里用了一个策略模式,可根据Redis部署方式的不同选择初始化不同的RedissonClient

RedisLock

这里为了整合zookeeper、etcd分布式锁,我抽象出了一个AbstractLock模板方法类,该类实现了java.util.concurrent.locks.Lock。

这样后面无论用哪种分布式锁,都可以用Lock lock = new xxx()来定义。

在下面的文章中有体现:

还有比Redis更骚的分布式锁的实现方式吗?有,etcd!

public class RedisLock extends AbstractLock {

    private RedissonClient redissonClient;

    private String lockKey;

    public RedisLock(RedissonClient redissonClient, String lockKey) {
        this.redissonClient = redissonClient;
        this.lockKey = lockKey;
    }

    @Override
    public void lock() {
        redissonClient.getLock(lockKey).lock();
    }

    //...略

    @Override
    public void unlock() {
        redissonClient.getLock(lockKey).unlock();
    }

    //...
}

请求API

@RequestMapping("/v3/pview")
public String incrPviewWithDistributedLock() {
    Lock lock = new RedisLock(redissonClient, lockKey);
    try {
        //加锁
        lock.lock();
        int oldPview = Integer.valueOf((String) redissonClient.getBucket("pview", new StringCodec()).get());
        //执行业务 阅读量增加1
        int newPview = oldPview + 1;
        redissonClient.getBucket("pview", new StringCodec()).set(String.valueOf(newPview));
        LOGGER.info("{} 成功获得锁,阅读量加1,当前阅读量:{}", Thread.currentThread().getName(), newPview);
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        //释放锁
        lock.unlock();
    }
    return port + " increase pview end!";
}

执行压测结果:

Redis分布式锁的实现

Redis分布式锁的实现

Redis分布式锁的实现

从结果看,没有问题。

RedissonLock加锁源码分析

来看一下RedissonLock加锁的源码:

<T> RFuture<T> tryLockInnerAsync(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId, RedisStrictCommand<T> command) {
    this.internalLockLeaseTime = unit.toMillis(leaseTime);
    return this.evalWriteAsync(this.getName(), LongCodec.INSTANCE, command, 
            "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]);",
            Collections.singletonList(this.getName()),
            this.internalLockLeaseTime,
            this.getLockName(threadId));
}

其中执行了Lua脚本,用Lua脚本的原因是

  • 原子操作。Redis会将整个脚本作为一个整体执行,不会被中断。可以用来批量更新、批量插入
  • 减少网络开销多个Redis操作合并为一个脚本,减少网络时延
  • 代码复用。客户端发送的脚本可以存储在Redis中,其他客户端可以根据脚本的id调用。

这里面用到了几个Redis命令:

  • hincrby

    HINCRBY key field increment

    为哈希表 key 中的域 field 的值加上增量 increment 。

    增量也可以为负数,相当于对给定域进行减法操作。

    如果 key 不存在,一个新的哈希表被创建并执行 HINCRBY 命令。

    如果域 field 不存在,那么在执行命令前,域的值被初始化为 0 。

    返回值

    执行 HINCRBY 命令之后,哈希表 key 中域 field 的值。

  • pexpire

    PEXPIRE key milliseconds

    这个命令和 EXPIRE 命令的作用类似,但是它以毫秒为单位设置 key 的生存时间,而不像 EXPIRE 命令那样,以秒为单位。

    返回值

    设置成功,返回 1

    key 不存在或设置失败,返回 0

  • hexists

    HEXISTS key field

    查看哈希表 key 中,给定域 field 是否存在。

    返回值

    如果哈希表含有给定域,返回 1 。

    如果哈希表不含有给定域,或 key 不存在,返回 0 。

  • pttl

    PTTL key

    这个命令类似于 TTL 命令,但它以毫秒为单位返回 key 的剩余生存时间,而不是像 TTL 命令那样,以秒为单位。

    返回值

    当 key 不存在时,返回 -2 。

    当 key 存在但没有设置剩余生存时间时,返回 -1 。 否则,以毫秒为单位,返回 key 的剩余生存时间。

现在再看那一段Lua脚本,

Redis分布式锁的实现

  • 如果 KEYS[1] 不存在,

则执行hincrby KEYS[1] ARGV[2] 1, 表示设置一个key为KEYS[1]的hash,该hash的k=ARGV[2],v=1, (因为hincrby:如果域 field 不存在,那么在执行命令前,域的值被初始化为 0 。)

然后执行pexpire KEYS[1] ARGV[1]设置过期时间

  • 如果 KEYS[1] 存在,

执行hincrby KEYS[1] ARGV[2] 1则表示为哈希表 key 中的域 field 的值加上1,也就是锁重入;

然后设置过期时间。

RedisRedLock 红锁

前面的方案貌似解决了分布式系统下操作共享资源的问题,然而这是建立在Redis永不宕机的情况下的

假如加锁使用Redis Sentinel模式,有节点宕机:

  1. 客户端通过MasterA获取到了锁,锁的超时时间是20秒;
  2. 在锁失效时间到来之前(即加锁后还未超过20秒)MasterA宕机了;
  3. Sentinel把其中一台Slave节点拉上来变成MasterB;
  4. MasterB发现没有锁,它也上锁;
  5. MasterB在锁失效时间内也宕机,Sentinel拉上来一个MasterC;
  6. MasterC上锁...

最后同时有3台实例都上了这把锁!这个坚决不能忍啊!

Redis为我们提供了RedLock红锁解决方案。

RedLock算法步骤

在Redis的分布式环境中,我们假设有N个Redis master。这些节点完全互相独立,不存在主从复制或者其他集群协调机制。

以5个Redis节点为例,这是一个比较合理的设置,所以我们需要在5台机器上面或者5台虚拟机上面运行这些实例,这样保证他们不会同时都宕掉(下面用1台开5个实例来模拟)。

为了取到锁,客户端应该执行以下操作:

  1. 获取当前Unix时间,以毫秒为单位。
  2. 依次尝试从N个实例,使用相同的key和随机值获取锁

在步骤2,当向Redis设置锁时,客户端应该设置一个网络连接和响应超时时间,这个超时时间应该小于锁的失效时间

例如你的锁自动失效时间为10秒,则超时时间应该在5-50毫秒之间。这样可以避免服务器端Redis已经挂掉的情况下,客户端还在死死地等待响应结果。如果服务器端没有在规定时间内响应,客户端应该尽快尝试另外一个Redis实例。

  1. 客户端使用当前时间减去开始获取锁时间(步骤1记录的时间)就得到获取锁使用的时间

当且仅当从大多数(这里是3个节点)的Redis节点都取到锁,并且使用的时间小于锁失效时间时,锁才算获取成功

  1. 如果取到了锁,key的真正有效时间等于有效时间减去获取锁所使用的时间(步骤3计算的结果)。
  2. 如果因为某些原因,获取锁失败(没有在至少N/2+1个Redis实例取到锁或者取锁时间已经超过了有效时间),客户端应该在所有的Redis实例上进行解锁(即便某些Redis实例根本就没有加锁成功)。

使用RedLock实现分布式锁

这里开5个Redis实例,使用RedLock实现分布式锁。

分布式锁使用的Redis实例列表:

# Redis分布式锁使用的redis实例
192.168.2.11 : 6479
192.168.2.11 : 6579
192.168.2.11 : 6679
192.168.2.11 : 6779
192.168.2.11 : 6889

为了方便,存储数据放在单节点Redis实例上(还可以是主从、哨兵、集群):

# 存储数据用的redis
192.168.2.11 : 6379

Redis分布式锁的实现

Redis分布式锁的实现

红锁代码实现:

// ============== 红锁 begin 方便演示才写在这里 可以写一个管理类 ==================
public static RLock create(String redisUrl, String lockKey) {
    Config config = new Config();
    //未测试方便 密码写死
    config.useSingleServer().setAddress(redisUrl).setPassword("redis123");
    RedissonClient client = Redisson.create(config);
    return client.getLock(lockKey);
}

RedissonRedLock redissonRedLock = new RedissonRedLock(
        create("redis://192.168.2.11:6479", "lock1"),
        create("redis://192.168.2.11:6579", "lock2"),
        create("redis://192.168.2.11:6679", "lock3"),
        create("redis://192.168.2.11:6779", "lock4"),
        create("redis://192.168.2.11:6889", "lock5")
);

@RequestMapping("/v4/pview")
public String incrPview() {
    Lock lock = new RedisRedLock(redissonRedLock);
    try {
        //加锁
        lock.lock();
        //执行业务 阅读量增加1
        int oldPview = Integer.valueOf((String) redissonClient.getBucket("pview", new StringCodec()).get());
        int newPview = oldPview + 1;
        redissonClient.getBucket("pview", new StringCodec()).set(String.valueOf(newPview));
        LOGGER.info("{} 成功获得锁,阅读量加1,当前阅读量:{}", Thread.currentThread().getName(), newPview);
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        //释放锁
        lock.unlock();
    }
    return port + " increase pview end!";
}

压测结果:

Redis分布式锁的实现

Redis分布式锁的实现

Redis分布式锁的实现

Redis分布式锁的实现

结果很完美!

这样我们就用Redis的RedLock红锁实现了分布式锁。

基于Reddisson实现的Redis红锁代码位于类org.redisson.RedissonMultiLock中:

Redis分布式锁的实现

以上。

Redis分布式锁的实现

本文完整代码:github.com/xblzer/dist…

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转载自:https://juejin.cn/post/6887740972168380429
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