鎖的基本概念到Redis分布式鎖實現

作者：楊亨 2019-12-25 14:35:33

云計算分布式 Redis

近來，分布式的問題被廣泛提及，比如分布式事務、分布式框架、ZooKeeper、SpringCloud等等。

近來，分布式的問題被廣泛提及，比如分布式事務、分布式框架、ZooKeeper、SpringCloud等等。本文先回顧鎖的概念，再介紹分布式鎖，以及如何用Redis來實現分布式鎖。

一、鎖的基本了解

首先，回顧一下我們工作學習中的鎖的概念。

為什么要先講鎖再講分布式鎖呢？

我們都清楚，鎖的作用是要解決多線程對共享資源的訪問而產生的線程安全問題，而在平時生活中用到鎖的情況其實并不多，可能有些朋友對鎖的概念和一些基本的使用不是很清楚，所以我們先看鎖，再深入介紹分布式鎖。

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通過一個賣票的小案例來看，比如大家去搶dota2 ti9門票，如果不加鎖的話會出現什么問題？此時代碼如下：

package Thread; 
import java.util.concurrent.TimeUnit; 
 
public class Ticket { 
 
/** 
* 初始庫存量 
* */ 
Integer ticketNum = 8; 
 
public void reduce(int num){ 
//判斷庫存是否夠用 
if((ticketNum - num) >= 0){ 
try { 
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200); 
}catch (InterruptedException e){ 
e.printStackTrace(); 
} 
ticketNum -= num; 
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "成功賣出" 
+ num + "張，剩余" + ticketNum + "張票"); 
}else { 
System.err.println(Thread.currentThread().getName() + "沒有賣出" 
+ num + "張，剩余" + ticketNum + "張票"); 
} 
} 
 
public static void main(String[] args) throws InterruptedException{ 
Ticket ticket = new Ticket(); 
//開啟10個線程進行搶票，按理說應該有兩個人搶不到票 
for(int i=0;i<10;i++){ 
new Thread(() -> ticket.reduce(1),"用戶" + (i + 1)).start(); 
} 
Thread.sleep(1000L); 
} 
 
}

代碼分析：這里有8張ti9門票，設置了10個線程（也就是模擬10個人）去并發搶票，如果搶成功了顯示成功，搶失敗的話顯示失敗。按理說應該有8個人搶成功了，2個人搶失敗，下面來看運行結果：

Redisä¸“é¢˜ï¼ˆ3ï¼‰ï¼šé”çš„åŸºæœ¬æ¦‚å¿µåˆ°Redisåˆ†å¸ƒå¼é”å®žçŽ°

我們發現運行結果和預期的情況不一致，居然10個人都買到了票，也就是說出現了線程安全的問題，那么是什么原因導致的呢？

原因就是多個線程之間產生了時間差。

如圖所示，只剩一張票了，但是兩個線程都讀到的票余量是1，也就是說線程B還沒有等到線程A改庫存就已經搶票成功了。

Redisä¸“é¢˜ï¼ˆ3ï¼‰ï¼šé”çš„åŸºæœ¬æ¦‚å¿µåˆ°Redisåˆ†å¸ƒå¼é”å®žçŽ°

怎么解決呢？想必大家都知道，加個synchronized關鍵字就可以了，在一個線程進行reduce方法的時候，其他線程則阻塞在等待隊列中，這樣就不會發生多個線程對共享變量的競爭問題。  
舉個例子  
比如我們去健身房健身，如果好多人同時用一臺機器，同時在一臺跑步機上跑步，就會發生很大的問題，大家會打得不可開交。如果我們加一把鎖在健身房門口，只有拿到鎖的鑰匙的人才可以進去鍛煉，其他人在門外等候，這樣就可以避免大家對健身器材的競爭。代碼如下：  
public  synchronized void reduce(int num){  
        //判斷庫存是否夠用  
        if((ticketNum - num) >= 0){  
            try {  
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);  
            }catch (InterruptedException e){  
                e.printStackTrace();  
            }  
            ticketNum -= num;  
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "成功賣出"  
            + num + "張，剩余" + ticketNum + "張票");  
        }else {  
            System.err.println(Thread.currentThread().getName() + "沒有賣出"  
                    + num + "張，剩余" + ticketNum + "張票");  
        }  
    }

運行結果：

Redisä¸“é¢˜ï¼ˆ3ï¼‰ï¼šé”çš„åŸºæœ¬æ¦‚å¿µåˆ°Redisåˆ†å¸ƒå¼é”å®žçŽ°

果不其然，結果有兩個人沒有成功搶到票，看來我們的目的達成了。

二、鎖的性能優化

2.1 縮短鎖的持有時間

事實上，按照我們對日常生活的理解，不可能整個健身房只有一個人在運動。所以我們只需要對某一臺機器加鎖就可以了，比如一個人在跑步，另一個人可以去做其他的運動。

對于票務系統來說，我們只需要對庫存的修改操作的代碼加鎖就可以了，別的代碼還是可以并行進行，這樣會大大減少鎖的持有時間，代碼修改如下：

public void reduceByLock(int num){ 
boolean flag = false; 
synchronized (ticketNum){ 
if((ticketNum - num) >= 0){ 
ticketNum -= num; 
flag = true; 
} 
} 
if(flag){ 
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "成功賣出" 
+ num + "張，剩余" + ticketNum + "張票"); 
} 
else { 
System.err.println(Thread.currentThread().getName() + "沒有賣出" 
+ num + "張，剩余" + ticketNum + "張票"); 
} 
if(ticketNum == 0){ 
System.out.println("耗時" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "毫秒"); 
} 
} 
 
這樣做的目的是充分利用cpu的資源，提高代碼的執行效率。 
這里我們對兩種方式的時間做個打印： 
public synchronized void reduce(int num){ 
//判斷庫存是否夠用 
if((ticketNum - num) >= 0){ 
try { 
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200); 
}catch (InterruptedException e){ 
e.printStackTrace(); 
} 
ticketNum -= num; 
if(ticketNum == 0){ 
System.out.println("耗時" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "毫秒"); 
} 
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "成功賣出" 
+ num + "張，剩余" + ticketNum + "張票"); 
}else { 
System.err.println(Thread.currentThread().getName() + "沒有賣出" 
+ num + "張，剩余" + ticketNum + "張票"); 
} 
}

Redisä¸“é¢˜ï¼ˆ3ï¼‰ï¼šé”çš„åŸºæœ¬æ¦‚å¿µåˆ°Redisåˆ†å¸ƒå¼é”å®žçŽ°

果然，只對部分代碼加鎖會大大提供代碼的執行效率。

所以，在解決了線程安全的問題后，我們還要考慮到加鎖之后的代碼執行效率問題。

2.2 減少鎖的粒度

舉個例子，有兩場電影，分別是最近剛上映的魔童哪吒和蜘蛛俠，我們模擬一個支付購買的過程，讓方法等待，加了一個CountDownLatch的await方法，運行結果如下：

package Thread; 
import java.util.concurrent.CountDownLatch; 
 
public class Movie { 
private final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1); 
//魔童哪吒 
private Integer babyTickets = 20; 
 
//蜘蛛俠 
private Integer spiderTickets = 100; 
 
public synchronized void showBabyTickets() throws InterruptedException{ 
System.out.println("魔童哪吒的剩余票數為：" + babyTickets); 
//購買 
latch.await(); 
} 
 
public synchronized void showSpiderTickets() throws InterruptedException{ 
System.out.println("蜘蛛俠的剩余票數為：" + spiderTickets); 
//購買 
} 
 
public static void main(String[] args) { 
Movie movie = new Movie(); 
new Thread(() -> { 
try { 
movie.showBabyTickets(); 
}catch (InterruptedException e){ 
e.printStackTrace(); 
} 
},"用戶A").start(); 
 
new Thread(() -> { 
try { 
movie.showSpiderTickets(); 
}catch (InterruptedException e){ 
e.printStackTrace(); 
} 
},"用戶B").start(); 
} 
 
}

執行結果：

魔童哪吒的剩余票數為：20

我們發現買哪吒票的時候阻塞會影響蜘蛛俠票的購買，而實際上，這兩場電影之間是相互獨立的，所以我們需要減少鎖的粒度，將movie整個對象的鎖變為兩個全局變量的鎖，修改代碼如下：

public void showBabyTickets() throws InterruptedException{ 
synchronized (babyTickets) { 
System.out.println("魔童哪吒的剩余票數為：" + babyTickets); 
//購買 
latch.await(); 
} 
} 
public void showSpiderTickets() throws InterruptedException{ 
synchronized (spiderTickets) { 
System.out.println("蜘蛛俠的剩余票數為：" + spiderTickets); 
//購買 
} 
}

執行結果：

魔童哪吒的剩余票數為：20

蜘蛛俠的剩余票數為：100

現在兩場電影的購票不會互相影響了，這就是第二個優化鎖的方式：減少鎖的粒度。順便提一句，Java并發包里的ConcurrentHashMap就是把一把大鎖變成了16把小鎖，通過分段鎖的方式達到高效的并發安全。

2.3 鎖分離

鎖分離就是常說的讀寫分離，我們把鎖分成讀鎖和寫鎖，讀的鎖不需要阻塞，而寫的鎖要考慮并發問題。

三、鎖的種類

公平鎖：ReentrantLock
非公平鎖：Synchronized、ReentrantLock、cas
悲觀鎖：Synchronized
樂觀鎖：cas
獨享鎖：Synchronized、ReentrantLock
共享鎖：Semaphore

這里就不一一講述每一種鎖的概念了，大家可以自己學習，鎖還可以按照偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖來分類。

四、Redis分布式鎖

了解了鎖的基本概念和鎖的優化后，重點介紹分布式鎖的概念。

Redisä¸“é¢˜ï¼ˆ3ï¼‰ï¼šé”çš„åŸºæœ¬æ¦‚å¿µåˆ°Redisåˆ†å¸ƒå¼é”å®žçŽ°

上圖所示是我們搭建的分布式環境，有三個購票項目，對應一個庫存，每一個系統會有多個線程，和上文一樣，對庫存的修改操作加上鎖，能不能保證這6個線程的線程安全呢？

當然是不能的，因為每一個購票系統都有各自的JVM進程，互相獨立，所以加synchronized只能保證一個系統的線程安全，并不能保證分布式的線程安全。

所以需要對于三個系統都是公共的一個中間件來解決這個問題。

這里我們選擇Redis來作為分布式鎖，多個系統在Redis中set同一個key，只有key不存在的時候，才能設置成功，并且該key會對應其中一個系統的唯一標識，當該系統訪問資源結束后，將key刪除，則達到了釋放鎖的目的。

4.1 分布式鎖需要注意哪些點

1）互斥性

在任意時刻只有一個客戶端可以獲取鎖。

這個很容易理解，所有的系統中只能有一個系統持有鎖。

2）防死鎖

假如一個客戶端在持有鎖的時候崩潰了，沒有釋放鎖，那么別的客戶端無法獲得鎖，則會造成死鎖，所以要保證客戶端一定會釋放鎖。

Redis中我們可以設置鎖的過期時間來保證不會發生死鎖。

3）持鎖人解鎖

解鈴還須系鈴人，加鎖和解鎖必須是同一個客戶端，客戶端A的線程加的鎖必須是客戶端A的線程來解鎖，客戶端不能解開別的客戶端的鎖。

4）可重入

當一個客戶端獲取對象鎖之后，這個客戶端可以再次獲取這個對象上的鎖。

4.2 Redis分布式鎖流程

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Redis分布式鎖的具體流程：

1）首先利用Redis緩存的性質在Redis中設置一個key-value形式的鍵值對，key就是鎖的名稱，然后客戶端的多個線程去競爭鎖，競爭成功的話將value設為客戶端的唯一標識。

2）競爭到鎖的客戶端要做兩件事：

設置鎖的有效時間目的是防死鎖（非常關鍵）

需要根據業務需要，不斷的壓力測試來決定有效期的長短。

分配客戶端的唯一標識，目的是保證持鎖人解鎖（非常重要）

所以這里的value就設置成唯一標識(比如uuid)。

3）訪問共享資源

4）釋放鎖，釋放鎖有兩種方式，第一種是有效期結束后自動釋放鎖，第二種是先根據唯一標識判斷自己是否有釋放鎖的權限，如果標識正確則釋放鎖。

4.3 加鎖和解鎖

4.3.1 加鎖

1）setnx命令加鎖

set if not exists 我們會用到Redis的命令setnx，setnx的含義就是只有鎖不存在的情況下才會設置成功。

2）設置鎖的有效時間，防止死鎖 expire

加鎖需要兩步操作，思考一下會有什么問題嗎？

假如我們加鎖完之后客戶端突然掛了呢？那么這個鎖就會成為一個沒有有效期的鎖，接著就可能發生死鎖。雖然這種情況發生的概率很小，但是一旦出現問題會很嚴重，所以我們也要把這兩步合為一步。

幸運的是，Redis3.0已經把這兩個指令合在一起成為一個新的指令。

來看jedis的官方文檔中的源碼：

public String set(String key, String value, String nxxx, String expx, long time) { 
this.checkIsInMultiOrPipeline(); 
this.client.set(key, value, nxxx, expx, time); 
return this.client.getStatusCodeReply(); 
}

這就是我們想要的！

4.3.2 解鎖

檢查是否自己持有鎖（判斷唯一標識）；
刪除鎖。

解鎖也是兩步，同樣也要保證解鎖的原子性，把兩步合為一步。

這就無法借助于Redis了，只能依靠Lua腳本來實現。

if Redis.call("get",key==argv[1])then 
return Redis.call("del",key) 
else return 0 end

這就是一段判斷是否自己持有鎖并釋放鎖的Lua腳本。

為什么Lua腳本是原子性呢？因為Lua腳本是jedis用eval()函數執行的，如果執行則會全部執行完成。

五、Redis分布式鎖代碼實現

public class RedisDistributedLock implements Lock { 
//上下文，保存當前鎖的持有人id 
private ThreadLocal<String> lockContext = new ThreadLocal<String>(); 
 
//默認鎖的超時時間 
private long time = 100; 
 
//可重入性 
private Thread ownerThread; 
 
public RedisDistributedLock() { 
} 
 
public void lock() { 
while (!tryLock()){ 
try { 
Thread.sleep(100); 
}catch (InterruptedException e){ 
e.printStackTrace(); 
} 
} 
} 
 
public boolean tryLock() { 
return tryLock(time,TimeUnit.MILLISECONDS); 
} 
 
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit){ 
String id = UUID.randomUUID().toString(); //每一個鎖的持有人都分配一個唯一的id 
Thread t = Thread.currentThread(); 
Jedis jedis = new Jedis("127.0.0.1",6379); 
//只有鎖不存在的時候加鎖并設置鎖的有效時間 
if("OK".equals(jedis.set("lock",id, "NX", "PX", unit.toMillis(time)))){ 
//持有鎖的人的id 
lockContext.set(id); ① 
//記錄當前的線程 
setOwnerThread(t); ② 
return true; 
}else if(ownerThread == t){ 
//因為鎖是可重入的，所以需要判斷當前線程已經持有鎖的情況 
return true; 
}else { 
return false; 
} 
} 
 
private void setOwnerThread(Thread t){ 
this.ownerThread = t; 
} 
 
public void unlock() { 
String script = null; 
try{ 
Jedis jedis = new Jedis("127.0.0.1",6379); 
script = inputStream2String(getClass().getResourceAsStream("/Redis.Lua")); 
if(lockContext.get()==null){ 
//沒有人持有鎖 
return; 
} 
//刪除鎖 ③ 
jedis.eval(script, Arrays.asList("lock"), Arrays.asList(lockContext.get())); 
lockContext.remove(); 
}catch (Exception e){ 
e.printStackTrace(); 
} 
} 
 
/** 
* 將InputStream轉化成String 
* @param is 
* @return 
* @throws IOException 
*/ 
public String inputStream2String(InputStream is) throws IOException { 
ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream(); 
int i = -1; 
while ((i = is.read()) != -1) { 
baos.write(i); 
} 
return baos.toString(); 
} 
 
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException { 
 
} 
 
public Condition newCondition() { 
return null; 
} 
}

用一個上下文全局變量來記錄持有鎖的人的uuid，解鎖的時候需要將該uuid作為參數傳入Lua腳本中，來判斷是否可以解鎖。
要記錄當前線程，來實現分布式鎖的重入性，如果是當前線程持有鎖的話，也屬于加鎖成功。
用eval函數來執行Lua腳本，保證解鎖時的原子性。

六、分布式鎖的對比

6.1 基于數據庫的分布式鎖

1）實現方式

獲取鎖的時候插入一條數據，解鎖時刪除數據。

2）缺點

數據庫如果掛掉會導致業務系統不可用。
無法設置過期時間，會造成死鎖。

6.2 基于zookeeper的分布式鎖

1）實現方式

加鎖時在指定節點的目錄下創建一個新節點，釋放鎖的時候刪除這個臨時節點。因為有心跳檢測的存在，所以不會發生死鎖，更加安全。

2）缺點

性能一般，沒有Redis高效。

所以：

從性能角度： Redis > zookeeper > 數據庫
從可靠性（安全）性角度： zookeeper > Redis > 數據庫

七、總結

本文從鎖的基本概念出發，提出多線程訪問共享資源會出現的線程安全問題，然后通過加鎖的方式去解決線程安全的問題，這個方法會性能會下降，需要通過：縮短鎖的持有時間、減小鎖的粒度、鎖分離三種方式去優化鎖。

之后介紹了分布式鎖的4個特點：

互斥性
防死鎖
加鎖人解鎖
可重入性

然后用Redis實現了分布式鎖，加鎖的時候用到了Redis的命令去加鎖，解鎖的時候則借助了Lua腳本來保證原子性。

最后對比了三種分布式鎖的優缺點和使用場景。

希望大家對分布式鎖有新的理解，也希望大家在考慮解決問題的同時要多想想性能的問題。

【本文是51CTO專欄機構宜信技術學院的原創文章，微信公眾號“宜信技術學院( id: CE_TECH)”】

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責任編輯：張燕妮來源：宜信技術學院

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