分布式锁与实现(一)——基于Redis实现

概述

目前几乎很多大型网站及应用都是分布式部署的，分布式场景中的数据一致性问题一直是一个比较重要的话题。分布式的CAP理论告诉我们“任何一个分布式系统都无法同时满足一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分区容错性（Partition tolerance），最多只能同时满足两项。”所以，很多系统在设计之初就要对这三者做出取舍。在互联网领域的绝大多数的场景中，都需要牺牲强一致性来换取系统的高可用性，系统往往只需要保证“最终一致性”，只要这个最终时间是在用户可以接受的范围内即可。

在很多场景中，我们为了保证数据的最终一致性，需要很多的技术方案来支持，比如分布式事务、分布式锁等。

选用Redis实现分布式锁原因

Redis有很高的性能
Redis命令对此支持较好，实现起来比较方便

在此就不介绍Redis的安装了，具体在Linux和Windows中的安装可以查看我前面的博客。
http://www.cnblogs.com/liuyang0/p/6504826.html

使用命令介绍

SETNX

SETNX key val
当且仅当key不存在时，set一个key为val的字符串，返回1；若key存在，则什么都不做，返回0。

expire

expire key timeout
为key设置一个超时时间，单位为second，超过这个时间锁会自动释放，避免死锁。

delete

delete key
删除key

在使用Redis实现分布式锁的时候，主要就会使用到这三个命令。

实现

使用的是jedis来连接Redis。

实现思想

获取锁的时候，使用setnx加锁，并使用expire命令为锁添加一个超时时间，超过该时间则自动释放锁，锁的value值为一个随机生成的UUID，通过此在释放锁的时候进行判断。
获取锁的时候还设置一个获取的超时时间，若超过这个时间则放弃获取锁。
释放锁的时候，通过UUID判断是不是该锁，若是该锁，则执行delete进行锁释放。

分布式锁的核心代码如下：

  1 package com.distribute;
  2
  3 import redis.clients.jedis.Jedis;
  4 import redis.clients.jedis.JedisPool;
  5 import redis.clients.jedis.Transaction;
  6 import redis.clients.jedis.exceptions.JedisException;
  7
  8 import java.util.List;
  9 import java.util.UUID;
 10
 11 /**
 12  * Created by liuyang on 2017/4/20.
 13  */
 14 public class DistributedLock {
 15     private final JedisPool jedisPool;
 16
 17     public DistributedLock(JedisPool jedisPool) {
 18         this.jedisPool = jedisPool;
 19     }
 20
 21     /**
 22      * 加锁
 23      *
 24      * @param locaName       锁的key
 25      * @param acquireTimeout 获取超时时间
 26      * @param timeout        锁的超时时间
 27      * @return 锁标识
 28      */
 29     public String lockWithTimeout(String locaName, long acquireTimeout, long timeout) {
 30         Jedis conn = null;
 31         String retIdentifier = null;
 32         try {
 33             // 获取连接
 34             conn = jedisPool.getResource();
 35             // 随机生成一个value
 36             String identifier = UUID.randomUUID().toString();
 37             // 锁名，即key值
 38             String lockKey = "lock:" + locaName;
 39             // 超时时间，上锁后超过此时间则自动释放锁
 40             int lockExpire = (int) (timeout / 1000);
 41
 42             // 获取锁的超时时间，超过这个时间则放弃获取锁
 43             long end = System.currentTimeMillis() + acquireTimeout;
 44             while (System.currentTimeMillis() < end) {
 45                 if (conn.setnx(lockKey, identifier) == 1) {
 46                     conn.expire(lockKey, lockExpire);
 47                     // 返回value值，用于释放锁时间确认
 48                     retIdentifier = identifier;
 49                     return retIdentifier;
 50                 }
 51                 // 返回-1代表key没有设置超时时间，为key设置一个超时时间
 52                 if (conn.ttl(lockKey) == -1) {
 53                     conn.expire(lockKey, lockExpire);
 54                 }
 55
 56                 try {
 57                     Thread.sleep(10);
 58                 } catch (InterruptedException e) {
 59                     Thread.currentThread().interrupt();
 60                 }
 61             }
 62         } catch (JedisException e) {
 63             e.printStackTrace();
 64         } finally {
 65             if (conn != null) {
 66                 conn.close();
 67             }
 68         }
 69         return retIdentifier;
 70     }
 71
 72     /**
 73      * 释放锁
 74      *
 75      * @param lockName   锁的key
 76      * @param identifier 释放锁的标识
 77      * @return
 78      */
 79     public boolean releaseLock(String lockName, String identifier) {
 80         Jedis conn = null;
 81         String lockKey = "lock:" + lockName;
 82         boolean retFlag = false;
 83         try {
 84             conn = jedisPool.getResource();
 85             while (true) {
 86                 // 监视lock，准备开始事务
 87                 conn.watch(lockKey);
 88                 // 通过前面返回的value值判断是不是该锁，若是该锁，则删除，释放锁
 89                 if (identifier.equals(conn.get(lockKey))) {
 90                     Transaction transaction = conn.multi();
 91                     transaction.del(lockKey);
 92                     List<Object> results = transaction.exec();
 93                     if (results == null) {
 94                         continue;
 95                     }
 96                     retFlag = true;
 97                 }
 98                 conn.unwatch();
 99                 break;
100             }
101         } catch (JedisException e) {
102             e.printStackTrace();
103         } finally {
104             if (conn != null) {
105                 conn.close();
106             }
107         }
108         return retFlag;
109     }
110 }

测试

下面就用一个简单的例子测试刚才实现的分布式锁。
例子中使用50个线程模拟秒杀一个商品，使用--运算符来实现商品减少，从结果有序性就可以看出是否为加锁状态。

模拟秒杀服务，在其中配置了jedis线程池，在初始化的时候传给分布式锁，供其使用。

 1 import redis.clients.jedis.JedisPool;
 2 import redis.clients.jedis.JedisPoolConfig;
 3
 4 /**
 5  * Created by liuyang on 2017/4/20.
 6  */
 7 public class Service {
 8     private static JedisPool pool = null;
 9
10     static {
11         JedisPoolConfig config = new JedisPoolConfig();
12         // 设置最大连接数
13         config.setMaxTotal(200);
14         // 设置最大空闲数
15         config.setMaxIdle(8);
16         // 设置最大等待时间
17         config.setMaxWaitMillis(1000 * 100);
18         // 在borrow一个jedis实例时，是否需要验证，若为true，则所有jedis实例均是可用的
19         config.setTestOnBorrow(true);
20         pool = new JedisPool(config, "127.0.0.1", 6379, 3000);
21     }
22
23     DistributedLock lock = new DistributedLock(pool);
24
25     int n = 500;
26
27     public void seckill() {
28         // 返回锁的value值，供释放锁时候进行判断
29         String indentifier = lock.lockWithTimeout("resource", 5000, 1000);
30         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得了锁");
31         System.out.println(--n);
32         lock.releaseLock("resource", indentifier);
33     }
34 }

// 模拟线程进行秒杀服务

 1 public class ThreadA extends Thread {
 2     private Service service;
 3
 4     public ThreadA(Service service) {
 5         this.service = service;
 6     }
 7
 8     @Override
 9     public void run() {
10         service.seckill();
11     }
12 }
13
14 public class Test {
15     public static void main(String[] args) {
16         Service service = new Service();
17         for (int i = 0; i < 50; i++) {
18             ThreadA threadA = new ThreadA(service);
19             threadA.start();
20         }
21     }
22 }

结果如下，结果为有序的。

1 public void seckill() {
2     // 返回锁的value值，供释放锁时候进行判断
3     //String indentifier = lock.lockWithTimeout("resource", 5000, 1000);
4     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得了锁");
5     System.out.println(--n);
6     //lock.releaseLock("resource", indentifier);
7 }

从结果可以看出，有一些是异步进行的。

在分布式环境中，对资源进行上锁有时候是很重要的，比如抢购某一资源，这时候使用分布式锁就可以很好地控制资源。
当然，在具体使用中，还需要考虑很多因素，比如超时时间的选取，获取锁时间的选取对并发量都有很大的影响，上述实现的分布式锁也只是一种简单的实现，主要是一种思想。

下一次我会使用zookeeper实现分布式锁，使用zookeeper的可靠性是要大于使用redis实现的分布式锁的，但是相比而言，redis的性能更好。

上面的代码可以在我的GitHub中进行查看，地址如下：
https://github.com/yangliu0/DistributedLock