一、本地锁的问题首先我们来回顾下本地锁的问题目前题目微服务被拆分成了四个微服务。前端请求进来时会被转发到不同的微服务。假如前端接收了 10 W 个请求每个微服务接收 2.5 W 个请求假如缓存失效了每个微服务在访问数据库时加锁通过锁synchronzied或lock来锁住自己的线程资源从而防止缓存击穿。这是一种本地加锁的方式在分布式情况下会带来数据不一致的问题比如服务 A 获取数据后更新缓存 key 100服务 B 不受服务 A 的锁限制并发去更新缓存 key 99最后的结果可能是 99 或 100但这是一种未知的状态与期望结果不一致。流程图如下所示二、什么是分布式锁基于上面本地锁的问题我们需要一种支持分布式集群环境下的锁查询 DB 时只有一个线程能访问其他线程都需要等待第一个线程释放锁资源后才能继续执行。生活中的案例可以把锁看成房门外的一把锁所有并发线程比作人他们都想进入房间房间内只能有一个人进入。当有人进入后将门反锁其他人必须等待直到进去的人出来。我们来看下分布式锁的基本原理如下图所示我们来分析下上图的分布式锁1.前端将 10W 的高并发请求转发给四个题目微服务。2.每个微服务处理 2.5 W 个请求。3.每个处理请求的线程在执行业务之前需要先抢占锁。可以理解为“占坑”。4.获取到锁的线程在执行完业务后释放锁。可以理解为“释放坑位”。5.未获取到的线程需要等待锁释放。6.释放锁后其他线程抢占锁。7.重复执行步骤 4、5、6。大白话解释所有请求的线程都去同一个地方“占坑”如果有坑位就执行业务逻辑没有坑位就需要其他线程释放“坑位”。这个坑位是所有线程可见的可以把这个坑位放到 Redis 缓存或者数据库这篇讲的就是如何用 Redis 做“分布式坑位”。三、Redis 的 SETNXRedis 作为一个公共可访问的地方正好可以作为“占坑”的地方。用 Redis 实现分布式锁的几种方案我们都是用 SETNX 命令设置 key 等于某 value。只是高阶方案传的参数个数不一样以及考虑了异常情况。我们来看下这个命令SETNX是set If not exist的简写。意思就是当 key 不存在时设置 key 的值存在时什么都不做。在 Redis 命令行中是这样执行的set key value NX我们可以进到 redis 容器中来试下SETNX命令。先进入容器docker exec -it 容器 id redis-cli然后执行 SETNX 命令将wukong这个 key 对应的 value 设置成1111。set wukong 1111 NX返回OK表示设置成功。重复执行该命令返回nil表示设置失败。四、青铜方案我们先用 Redis 的 SETNX 命令来实现最简单的分布式锁。3.1 青铜原理我们来看下流程图多个并发线程都去 Redis 中申请锁也就是执行 setnx 命令假设线程 A 执行成功说明当前线程 A 获得了。其他线程执行 setnx 命令都会是失败的所以需要等待线程 A 释放锁。线程 A 执行完自己的业务后删除锁。其他线程继续抢占锁也就是执行 setnx 命令。因为线程 A 已经删除了锁所以又有其他线程可以抢占到锁了。代码示例如下Java 中 setnx 命令对应的代码为setIfAbsent。setIfAbsent 方法的第一个参数代表 key第二个参数代表值。// 1.先抢占锁 Boolean lock redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(lock, 123); if(lock) { // 2.抢占成功执行业务 ListTypeEntity typeEntityListFromDb getDataFromDB(); // 3.解锁 redisTemplate.delete(lock); return typeEntityListFromDb; } else { // 4.休眠一段时间 sleep(100); // 5.抢占失败等待锁释放 return getTypeEntityListByRedisDistributedLock(); }一个小问题那为什么需要休眠一段时间因为该程序存在递归调用可能会导致栈空间溢出。3.2 青铜方案的缺陷青铜之所以叫青铜是因为它是最初级的肯定会带来很多问题。设想一种家庭场景晚上小空一个人开锁进入了房间打开了电灯然后突然断电了小空想开门出去但是找不到门锁位置那小明就进不去了外面的人也进不来。从技术的角度看setnx 占锁成功业务代码出现异常或者服务器宕机没有执行删除锁的逻辑就造成了死锁。那如何规避这个风险呢设置锁的自动过期时间过一段时间后自动删除锁这样其他线程就能获取到锁了。四、白银方案4.1 生活中的例子上面提到的青铜方案会有死锁问题那我们就用上面的规避风险的方案来设计下也就是我们的白银方案。还是生活中的例子小空开锁成功后给这款智能锁设置了一个沙漏倒计时⏳沙漏完后门锁自动打开。即使房间突然断电过一段时间后锁会自动打开其他人就可以进来了。4.2 技术原理图和青铜方案不同的地方在于在占锁成功后设置锁的过期时间这两步是分步执行的。如下图所示4.3 示例代码清理 redis key 的代码如下// 在 10s 以后自动清理 lock redisTemplate.expire(lock, 10, TimeUnit.SECONDS);完整代码如下// 1.先抢占锁 Boolean lock redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(lock, 123); if(lock) { // 2.在 10s 以后自动清理 lock redisTemplate.expire(lock, 10, TimeUnit.SECONDS); // 3.抢占成功执行业务 ListTypeEntity typeEntityListFromDb getDataFromDB(); // 4.解锁 redisTemplate.delete(lock); return typeEntityListFromDb; }4.4 白银方案的缺陷白银方案看似解决了线程异常或服务器宕机造成的锁未释放的问题但还是存在其他问题因为占锁和设置过期时间是分两步执行的所以如果在这两步之间发生了异常则锁的过期时间根本就没有设置成功。所以和青铜方案有一样的问题锁永远不能过期。五、黄金方案5.1 原子指令上面的白银方案中占锁和设置锁过期时间是分步两步执行的这个时候我们可以联想到什么事务的原子性Atom。原子性多条命令要么都成功执行要么都不执行。将两步放在一步中执行占锁设置锁过期时间。Redis 正好支持这种操作# 设置某个 key 的值并设置多少毫秒或秒 过期。 set key value PX 多少毫秒 NX 或 set key value EX 多少秒 NX然后可以通过如下命令查看 key 的变化ttl key下面演示下如何设置 key 并设置过期时间。注意执行命令之前需要先删除 key可以通过客户端或命令删除。# 设置 keywukongvalue1111过期时间5000ms set wukong 1111 PX 5000 NX # 查看 key 的状态 ttl wukong执行结果如下图所示每运行一次 ttl 命令就可以看到 wukong 的过期时间就会减少。最后会变为 -2已过期。5.2 技术原理图黄金方案和白银方案的不同之处获取锁的时候也需要设置锁的过期时间这是一个原子操作要么都成功执行要么都不执行。如下图所示5.3 示例代码设置lock的值等于123过期时间为 10 秒。如果10秒 以后lock 还存在则清理 lock。setIfAbsent(lock, 123, 10, TimeUnit.SECONDS);5.4 黄金方案的缺陷我们还是举生活中的例子来看下黄金方案的缺陷。5.4.1 用户 A 抢占锁用户 A 先抢占到了锁并设置了这个锁 10 秒以后自动开锁锁的编号为123。10 秒以后A 还在执行任务此时锁被自动打开了。5.4.2 用户 B 抢占锁用户 B 看到房间的锁打开了于是抢占到了锁设置锁的编号为123并设置了过期时间10 秒。因房间内只允许一个用户执行任务所以用户 A 和 用户 B 执行任务产生了冲突。用户 A 在15 s后完成了任务此时 用户 B 还在执行任务。用户 A 主动打开了编号为123的锁。用户 B 还在执行任务发现锁已经被打开了。用户 B 非常生气我还没执行完任务呢锁怎么开了5.4.3 用户 C 抢占锁用户 B 的锁被 A 主动打开后A 离开房间B 还在执行任务。用户 C 抢占到锁C 开始执行任务。因房间内只允许一个用户执行任务所以用户 B 和 用户 C 执行任务产生了冲突。从上面的案例中我们可以知道因为用户 A 处理任务所需要的时间大于锁自动清理开锁的时间所以在自动开锁后又有其他用户抢占到了锁。当用户 A 完成任务后会把其他用户抢占到的锁给主动打开。这里为什么会打开别人的锁因为锁的编号都叫做“123”用户 A 只认锁编号看见编号为“123”的锁就开结果把用户 B 的锁打开了此时用户 B 还未执行完任务当然生气了。六、铂金方案6.1 生活中的例子上面的黄金方案的缺陷也很好解决给每个锁设置不同的编号不就好了如下图所示B 抢占的锁是蓝色的和 A 抢占到绿色锁不一样。这样就不会被 A 打开了。做了个动图方便理解动图演示静态图更高清可以看看6.2 技术原理图与黄金方案的不同之处设置锁的过期时间时还需要设置唯一编号。主动删除锁的时候需要判断锁的编号是否和设置的一致如果一致则认为是自己设置的锁可以进行主动删除。6.3 代码示例// 1.生成唯一 id String uuid UUID.randomUUID().toString(); // 2. 抢占锁 Boolean lock redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(lock, uuid, 10, TimeUnit.SECONDS); if(lock) { System.out.println(抢占成功 uuid); // 3.抢占成功执行业务 ListTypeEntity typeEntityListFromDb getDataFromDB(); // 4.获取当前锁的值 String lockValue redisTemplate.opsForValue().get(lock); // 5.如果锁的值和设置的值相等则清理自己的锁 if(uuid.equals(lockValue)) { System.out.println(清理锁 lockValue); redisTemplate.delete(lock); } return typeEntityListFromDb; } else { System.out.println(抢占失败等待锁释放); // 4.休眠一段时间 sleep(100); // 5.抢占失败等待锁释放 return getTypeEntityListByRedisDistributedLock(); }1.生成随机唯一 id给锁加上唯一值。2.抢占锁并设置过期时间为 10 s且锁具有随机唯一 id。3.抢占成功执行业务。4.执行完业务后获取当前锁的值。5.如果锁的值和设置的值相等则清理自己的锁。6.4 铂金方案的缺陷上面的方案看似很完美但还是存在问题第 4 步和第 5 步并不是原子性的。时刻0s。线程 A 抢占到了锁。时刻9.5s。线程 A 向 Redis 查询当前 key 的值。时刻10s。锁自动过期。时刻11s。线程 B 抢占到锁。时刻12s。线程 A 在查询途中耗时长终于拿多锁的值。时刻13s。线程 A 还是拿自己设置的锁的值和返回的值进行比较值是相等的清理锁但是这个锁其实是线程 B 抢占的锁。那如何规避这个风险呢钻石方案登场。七、钻石方案上面的线程 A 查询锁和删除锁的逻辑不是原子性的所以将查询锁和删除锁这两步作为原子指令操作就可以了。7.1 技术原理图如下图所示红色圈出来的部分是钻石方案的不同之处。用脚本进行删除达到原子操作。7.2 代码示例那如何用脚本进行删除呢我们先来看一下这段 Redis 专属脚本if redis.call(get,KEYS[1]) ARGV[1] then return redis.call(del,KEYS[1]) else return 0 end这段脚本和铂金方案的获取key删除key的方式很像。先获取 KEYS[1] 的 value判断 KEYS[1] 的 value 是否和 ARGV[1] 的值相等如果相等则删除 KEYS[1]。那么这段脚本怎么在 Java 项目中执行呢分两步先定义脚本用 redisTemplate.execute 方法执行脚本。// 脚本解锁 String script if redis.call(get,KEYS[1]) ARGV[1] then return redis.call(del,KEYS[1]) else return 0 end; redisTemplate.execute(new DefaultRedisScriptLong(script, Long.class), Arrays.asList(lock), uuid);上面的代码中KEYS[1] 对应“lock”ARGV[1] 对应“uuid”含义就是如果 lock 的 value 等于 uuid 则删除 lock。而这段 Redis 脚本是由 Redis 内嵌的 Lua 环境执行的所以又称作 Lua 脚本。那钻石方案是不是就完美了呢有没有更好的方案呢下篇我们再来介绍另外一种分布式锁的王者方案Redisson。八、总结本篇通过本地锁的问题引申出分布式锁的问题。然后介绍了五种分布式锁的方案由浅入深讲解了不同方案的改进之处。从上面几种方案的不断演进的过程中知道了系统中哪些地方可能存在异常情况以及该如何更好地进行处理。举一反三这种不断演进的思维模式也可以运用到其他技术中。下面总结下上面五种方案的缺陷和改进之处。青铜方案缺陷业务代码出现异常或者服务器宕机没有执行主动删除锁的逻辑就造成了死锁。改进设置锁的自动过期时间过一段时间后自动删除锁这样其他线程就能获取到锁了。白银方案缺陷占锁和设置锁过期时间是分步两步执行的不是原子操作。改进占锁和设置锁过期时间保证原子操作。黄金方案缺陷主动删除锁时因锁的值都是相同的将其他客户端占用的锁删除了。改进每次占用的锁随机设为较大的值主动删除锁时比较锁的值和自己设置的值是否相等。铂金方案缺陷获取锁、比较锁的值、删除锁这三步是非原子性的。中途又可能锁自动过期了又被其他客户端抢占了锁导致删锁时把其他客户端占用的锁删了。改进使用 Lua 脚本进行获取锁、比较锁、删除锁的原子操作。钻石方案缺陷非专业的分布式锁方案。改进Redission 分布式锁。
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