分布式锁

问题的引入

在平时单服务的情况下，我们使用互斥锁可以保证同一时刻只有一个线程执行自己的业务。原理是，在JVM内部维护了一个锁监视器，锁监视器保证了同一时刻只有一个线程获取到锁。但是如果开启了多个服务，就会有多个JVM，从而有多个不同的锁监视器，每个锁监视器监视自己JVM内部的线程，因此一个JVM内部的线程获取到锁，并不影响其他JVM内部的线程获取锁。从而导致并发安全问题。因此，我们需要独立于JVM之外的锁监视器对所有的线程统一管理。

概念

满足分布式系统或集群模式下多进程可见并且互斥的锁。

常见分布式锁的实现比较

基于Redis的分布式锁

最基本的分布式锁

获取锁：

利用Redis的SETNX保证互斥的特性，同时设置锁过期时间，避免服务宕机不能执行释放锁的操作而导致死锁。

释放锁：

删除对应的键即可

流程图如下所示：

保证释放锁的线程是持有锁的线程本身

前面提到的最基本的分布式锁存在着一些问题。如果获取锁的线程1阻塞，在该线程阻塞期间，锁超时释放了，这时线程2就可以获取到锁，接着执行自己的业务。线程1在完成自己的业务后释放锁。这时线程3也获得了锁执行自己的业务，这样就造成了线程2和线程3都获取到了锁，从而造成了线程安全问题。如下图所示

为了解决未持有锁的线程释放锁这个问题，在锁中存入线程标识，在释放锁之前先判断锁标识是否是本身线程。如果标识是自己，则释放锁。其流程图如下所示

保证释放锁的原子性

由于前面加入了判断，判断与释放是两步。有可能在判断时持有锁的线程1阻塞，直到超时释放锁，线程2拿到了锁，线程1被唤醒并执行释放锁，导致线程3也拿到了锁。造成了两个线程同时持有锁的线程安全问题。如下所示

为了解决这个问题，使用Lua脚本，在一个脚本中编写多条Redis命令，确保多条命令执行时的原子性。

释放锁的业务流程如下所示

-- 这里的 KEYS[1] 就是锁的key，这里的ARGV[1] 就是当前线程标示
-- 获取锁中的标示，判断是否与当前线程标示一致
if (redis.call('GET', KEYS[1]) == ARGV[1]) then
  -- 一致，则删除锁
  return redis.call('DEL', KEYS[1])
end
-- 不一致，则直接返回
return 0

到目前为止，一个基于Redis的基本的分布式锁就完成了。但还是存在着以下问题

• 不可重入：同一线城无法多次获取统一把锁
• 不可重试：获取锁只尝试一次就返回，没有重试机制
• 超时释放问题：锁超时释放虽然可以避免死锁，但是如果业务执行耗时较长，也会导致锁释放，存在安全隐患
• 主从一致性问题：如果Redis提供了主从集群，主从同步存在延迟，当主节点宕机时，从节点没有同步主节点中的锁数据。其他线程就会拿到锁

Redisson分布式锁简单介绍

Redisson可重入锁原理

获取锁的Lua脚本

local key = KEYS[1]; -- 锁的key
local threadId = ARGV[1]; -- 线程唯一标识
local releaseTime = ARGV[2]; -- 锁的自动释放时间
-- 判断是否存在
if(redis.call('exists', key) == 0) then
    -- 不存在, 获取锁
    redis.call('hset', key, threadId, '1');
    -- 设置有效期
    redis.call('expire', key, releaseTime);
    return 1; -- 返回结果
end;
-- 锁已经存在，判断threadId是否是自己
if(redis.call('hexists', key, threadId) == 1) then
    -- 不存在, 获取锁，重入次数+1
    redis.call('hincrby', key, threadId, '1');
    -- 设置有效期
    redis.call('expire', key, releaseTime);
    return 1; -- 返回结果
end;
return 0; -- 代码走到这里,说明获取锁的不是自己，获取锁失败

释放锁的Lua脚本

local key = KEYS[1]; -- 锁的key
local threadId = ARGV[1]; -- 线程唯一标识
local releaseTime = ARGV[2]; -- 锁的自动释放时间
-- 判断当前锁是否还是被自己持有
if (redis.call('HEXISTS', key, threadId) == 0) then
    return nil; -- 如果已经不是自己，则直接返回
end;
-- 是自己的锁，则重入次数-1
local count = redis.call('HINCRBY', key, threadId, -1);
-- 判断是否重入次数是否已经为0
if (count > 0) then
    -- 大于0说明不能释放锁，重置有效期然后返回
    redis.call('EXPIRE', key, releaseTime);
    return nil;
else  -- 等于0说明可以释放锁，直接删除
    redis.call('DEL', key);
    return nil;
end;

Redisson分布式锁原理

• 可重入：利用hash结构记录线程id和重入次数
• 可重试：利用信号量和PubSub功能实现等待、唤醒，获取锁失败的重试机制
• 超时续约：利用watchDog，每隔一段时间（releaseTime/3），重置超时时间。