Redisson实现分布式锁原理

一、高效分布式锁

当我们在设计分布式锁的时候，我们应该考虑分布式锁至少要满足的一些条件，同时考虑如何高效的设计分布式锁，这里我认为以下几点是必须要考虑的。

1、互斥

在分布式高并发的条件下，我们最需要保证，同一时刻只能有一个线程获得锁，这是最基本的一点。

2、防止死锁

在分布式高并发的条件下，比如有个线程获得锁的同时，还没有来得及去释放锁，就因为系统故障或者其它原因使它无法执行释放锁的命令,导致其它线程都无法获得锁，造成死锁。所以分布式非常有必要设置锁的有效时间，确保系统出现故障后，在一定时间内能够主动去释放锁，避免造成死锁的情况。

3、性能

对于访问量大的共享资源，需要考虑减少锁等待的时间，避免导致大量线程阻塞。

所以在锁的设计时，需要考虑两点。

1、锁的颗粒度要尽量小。比如你要通过锁来减库存，那这个锁的名称你可以设置成是商品的ID,而不是任取名称。这样这个锁只对当前商品有效,锁的颗粒度小。

2、锁的范围尽量要小。比如只要锁2行代码就可以解决问题的，那就不要去锁10行代码了。

4、重入

我们知道ReentrantLock是可重入锁，那它的特点就是：同一个线程可以重复拿到同一个资源的锁。重入锁非常有利于资源的高效利用。关于这点之后会做演示。

针对以上 Redisson都能很好的满足，下面就来分析下它。

二、Redisson原理分析

为了更好的理解分布式锁的原理，我这边自己画张图通过这张图来分析。

1、加锁机制

线程去获取锁，获取成功: 执行 lua脚本，保存数据到 redis数据库。

线程去获取锁，获取失败: 一直通过 while循环尝试获取锁，获取成功后，执行 lua脚本，保存数据到 redis数据库。

2、watch dog自动延期机制

在一个分布式环境下，假如一个线程获得锁后，突然服务器宕机了，那么这个时候在一定时间后这个锁会自动释放，你也可以设置锁的有效时间(不设置默认30秒），这样的目的主要是防止死锁的发生。

但在实际开发中会有下面一种情况:

 1 //设置锁1秒过去2 redissonLock.lock("redisson", 1);3 /**4  * 业务逻辑需要咨询2秒5  */6 redissonLock.release("redisson");7 8 /**9 * 线程1 进来获得锁后，线程一切正常并没有宕机，但它的业务逻辑需要执行2秒，这就会有个问题，在 线程1 执行1秒后，这个锁就自动过期了，
10 * 那么这个时候 线程2 进来了。那么就存在 线程1和线程2 同时在这段业务逻辑里执行代码，这当然是不合理的。
11 * 而且如果是这种情况，那么在解锁时系统会抛异常，因为解锁和加锁已经不是同一线程了，具体后面代码演示。
12 */

所以这个时候看门狗就出现了，它的作用就是线程1 业务还没有执行完，时间就过了，线程1 还想持有锁的话，就会启动一个 watch dog后台线程，不断的延长锁 key的生存时间。注意：正常这个看门狗线程是不启动的，还有就是这个看门狗启动后对整体性能也会有一定影响，所以不建议开启看门狗。

3、为啥要用 lua脚本呢？

这个不用多说，主要是如果你的业务逻辑复杂的话，通过封装在 lua脚本中发送给redis，而且 redis是单线程的，这样就保证这段复杂业务逻辑执行的原子性。

4、可重入加锁机制

Redisson可以实现可重入加锁机制的原因，我觉得跟两点有关：

1、Redis存储锁的数据类型是 Hash类型
2、Hash数据类型的key值包含了当前线程信息。

下面是redis存储的数据

这里表面数据类型是 Hash类型，Hash类型相当于我们 java的 <key,<key1,value>> 类型，这里key是指 ‘redisson’

它的有效期还有9秒，我们再来看里们的 key值为 078e44a3-5f95-4e24-b6aa-80684655a15a:45它的组成是:

guid + 当前线程的ID。后面的 value是就和可重入加锁有关。

举图说明

上面这图的意思就是可重入锁的机制，它最大的优点就是相同线程不需要在等待锁，而是可以直接进行相应操作。

5、Redis分布式锁的缺点

Redis分布式锁会有个缺陷，就是在 Redis哨兵模式下:

客户端1 对某个master节点写入了 redisson锁，此时会异步复制给对应的 slave节点。但是这个过程中一旦发生 master节点宕机，主备切换，slave节点从变为了 master节点。

这时客户端2 来尝试加锁的时候，在新的 master节点上也能加锁，此时就会导致多个客户端对同一个分布式锁完成了加锁。

这时系统在业务语义上一定会出现问题，导致各种脏数据的产生。

缺陷在哨兵模式或者主从模式下，如果 master实例宕机的时候，可能导致多个客户端同时完成加锁。

三、RLock接口

1、概念

public interface RLock extends Lock, RExpirable, RLockAsync

很明显 RLock是继承 Lock锁，所以他有 Lock锁的所有特性，比如lock、unlock、trylock等特性，同时它还有很多新特性：强制锁释放，带有效期的锁,。

2、RLock锁API

这里针对上面做个整理，这里列举几个常用的接口说明

 1 public interface RRLock {2     //----------------------Lock接口方法-----------------------3 4     /**5      * 加锁 锁的有效期默认30秒6      */7     void lock();8     /**9      * tryLock()方法是有返回值的，它表示用来尝试获取锁，如果获取成功，则返回true，如果获取失败（即锁已被其他线程获取），则返回false .
10      */
11     boolean tryLock();
12     /**
13      * tryLock(long time, TimeUnit unit)方法和tryLock()方法是类似的，只不过区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间，
14      * 在时间期限之内如果还拿不到锁，就返回false。如果如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁，则返回true。
15      *
16      * @param time 等待时间
17      * @param unit 时间单位 小时、分、秒、毫秒等
18      */
19     boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
20     /**
21      * 解锁
22      */
23     void unlock();
24     /**
25      * 中断锁 表示该锁可以被中断 假如A和B同时调这个方法，A获取锁，B为获取锁，那么B线程可以通过
26      * Thread.currentThread().interrupt(); 方法真正中断该线程
27      */
28     void lockInterruptibly();
29
30     //----------------------RLock接口方法-----------------------
31     /**
32      * 加锁 上面是默认30秒这里可以手动设置锁的有效时间
33      *
34      * @param leaseTime 锁有效时间
35      * @param unit      时间单位 小时、分、秒、毫秒等
36      */
37     void lock(long leaseTime, TimeUnit unit);
38     /**
39      * 这里比上面多一个参数，多添加一个锁的有效时间
40      *
41      * @param waitTime  等待时间
42      * @param leaseTime 锁有效时间
43      * @param unit      时间单位 小时、分、秒、毫秒等
44      */
45     boolean tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
46     /**
47      * 检验该锁是否被线程使用，如果被使用返回True
48      */
49     boolean isLocked();
50     /**
51      * 检查当前线程是否获得此锁（这个和上面的区别就是该方法可以判断是否当前线程获得此锁，而不是此锁是否被线程占有）
52      * 这个比上面那个实用
53      */
54     boolean isHeldByCurrentThread();
55     /**
56      * 中断锁 和上面中断锁差不多，只是这里如果获得锁成功,添加锁的有效时间
57      * @param leaseTime  锁有效时间
58      * @param unit       时间单位 小时、分、秒、毫秒等
59      */
60     void lockInterruptibly(long leaseTime, TimeUnit unit);
61 }

RLock相关接口，主要是新添加了 leaseTime 属性字段，主要是用来设置锁的过期时间，避免死锁。

四、RedissonLock实现类

public class RedissonLock extends RedissonExpirable implements RLock

RedissonLock实现了 RLock接口，所以实现了接口的具体方法。这里我列举几个方法说明下

1、void lock()方法

1 @Override
2 public void lock() {
3     try {
4         lockInterruptibly();
5     } catch (InterruptedException e) {
6         Thread.currentThread().interrupt();
7     }
8 }

发现 lock锁里面进去其实用的是lockInterruptibly（中断锁，表示可以被中断），而且捕获异常后用 Thread.currentThread().interrupt()来真正中断当前线程，其实它们是搭配一起使用的。

具体有关 lockInterruptibly()方法讲解推荐一个博客。博客：Lock的lockInterruptibly()

接下来执行流程,这里理下关键几步

 1    /**2      * 1、带上默认值调另一个中断锁方法3      */4     @Override5     public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {6         lockInterruptibly(-1, null);7     }8     /**9      * 2、另一个中断锁的方法
10      */
11     void lockInterruptibly(long leaseTime, TimeUnit unit) throws InterruptedException
12     /**
13      * 3、这里已经设置了锁的有效时间默认为30秒  （commandExecutor.getConnectionManager().getCfg().getLockWatchdogTimeout()=30）
14      */
15     RFuture<Long> ttlRemainingFuture = tryLockInnerAsync(commandExecutor.getConnectionManager().getCfg().getLockWatchdogTimeout(), TimeUnit.MILLISECONDS, threadId, RedisCommands.EVAL_LONG);
16     /**
17      * 4、最后通过lua脚本访问Redis,保证操作的原子性
18      */
19     <T> RFuture<T> tryLockInnerAsync(long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId, RedisStrictCommand<T> command) {
20         internalLockLeaseTime = unit.toMillis(leaseTime);
21
22         return commandExecutor.evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, command,
23                 "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then " +
24                         "redis.call('hset', KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
25                         "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +
26                         "return nil; " +
27                         "end; " +
28                         "if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then " +
29                         "redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
30                         "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +
31                         "return nil; " +
32                         "end; " +
33                         "return redis.call('pttl', KEYS[1]);",
34                 Collections.<Object>singletonList(getName()), internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));
35     }

那么void lock(long leaseTime, TimeUnit unit)方法其实和上面很相似了，就是从上面第二步开始的。

2、tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit)

接口的参数和含义上面已经说过了，现在我们开看下源码，这里只显示一些重要逻辑。

 1 @Override2 public boolean tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit) throws InterruptedException {3     long time = unit.toMillis(waitTime);4     long current = System.currentTimeMillis();5     long threadId = Thread.currentThread().getId();6     Long ttl = tryAcquire(leaseTime, unit, threadId);7     //1、 获取锁同时获取成功的情况下，和lock(...)方法是一样的 直接返回True，获取锁False再往下走8     if (ttl == null) {9         return true;
10     }
11     //2、如果超过了尝试获取锁的等待时间,当然返回false 了。
12     time -= System.currentTimeMillis() - current;
13     if (time <= 0) {
14         acquireFailed(threadId);
15         return false;
16     }
17
18     // 3、订阅监听redis消息，并且创建RedissonLockEntry，其中RedissonLockEntry中比较关键的是一个 Semaphore属性对象,用来控制本地的锁请求的信号量同步，返回的是netty框架的Future实现。
19     final RFuture<RedissonLockEntry> subscribeFuture = subscribe(threadId);
20     //  阻塞等待subscribe的future的结果对象，如果subscribe方法调用超过了time，说明已经超过了客户端设置的最大wait time，则直接返回false，取消订阅，不再继续申请锁了。
21     //  只有await返回true，才进入循环尝试获取锁
22     if (!await(subscribeFuture, time, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
23         if (!subscribeFuture.cancel(false)) {
24             subscribeFuture.addListener(new FutureListener<RedissonLockEntry>() {
25                 @Override
26                 public void operationComplete(Future<RedissonLockEntry> future) throws Exception {
27                     if (subscribeFuture.isSuccess()) {
28                         unsubscribe(subscribeFuture, threadId);
29                     }
30                 }
31             });
32         }
33         acquireFailed(threadId);
34         return false;
35     }
36
37    //4、如果没有超过尝试获取锁的等待时间，那么通过While一直获取锁。最终只会有两种结果
38     //1)、在等待时间内获取锁成功 返回true。2）等待时间结束了还没有获取到锁那么返回false。
39     while (true) {
40         long currentTime = System.currentTimeMillis();
41         ttl = tryAcquire(leaseTime, unit, threadId);
42         // 获取锁成功
43         if (ttl == null) {
44             return true;
45         }
46        //   获取锁失败
47         time -= System.currentTimeMillis() - currentTime;
48         if (time <= 0) {
49             acquireFailed(threadId);
50             return false;
51         }
52     }
53 }

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