如何设计高性能的分布式锁

亦碎流年 2020-06-18

什么是分布式锁?

? 在 JVM 中,在多线程并发的情况下,我们可以使用同步锁或 Lock 锁,保证在同一时间内,只能有一个线程修改共享变量或执行代码块。但现在我们的服务都是基于分布式集群来实现部署的,对于一些共享资源,在分布式环境下使用 Java 锁的方式就失去作用了。

? 使用数据库实现一个分布式锁比较简单易懂,直接基于数据库实现就行了,不需要再引入第三方中间件,所以这是很多分布式业务实现分布式锁的首选。但是数据库实现的分布式锁在一定程度上,存在性能瓶颈,所以我推荐使用Redis。

Redis 实现分布式锁

? Redis 实现分布式锁的方式,是使用 SETNX+EXPIRE 组合来实现,在 Redis 2.6.12 版本之前,具体实现代码如下:

public static boolean tryLock(Jedis jedis, String lockKey, String requestId, int expireTime) {

    Long result = jedis.setnx(lockKey, requestId);//设置锁
    if (result == 1) {//获取锁成功
        // 若在这里程序突然崩溃,则无法设置过期时间,将发生死锁
        jedis.expire(lockKey, expireTime);//通过过期时间删除锁
        return true;
    }
    return false;
}

? 这种方式实现的分布式锁,是通过 setnx() 方法设置锁,如果 lockKey 存在,则返回失败,否则返回成功。设置成功之后,为了能在完成同步代码之后成功释放锁,方法中还需要使用 expire() 方法给 lockKey 值设置一个过期时间,确认 key 值删除,避免出现锁无法释放,导致下一个线程无法获取到锁,即死锁问题。

? 如果程序在设置过期时间之前、设置锁之后出现崩溃,此时如果 lockKey 没有设置过期时间,将会出现死锁问题。

在 Redis 2.6.12 版本后 SETNX 增加了过期时间参数:

private static final String LOCK_SUCCESS = "OK";
    private static final String SET_IF_NOT_EXIST = "NX";
    private static final String SET_WITH_EXPIRE_TIME = "PX";

    /**
     * 尝试获取分布式锁
     * @param jedis Redis客户端
     * @param lockKey 锁
     * @param requestId 请求标识
     * @param expireTime 超期时间
     * @return 是否获取成功
     */
    public static boolean tryLock(Jedis jedis, String lockKey, String requestId, int expireTime) {

        String result = jedis.set(lockKey, requestId, SET_IF_NOT_EXIST, SET_WITH_EXPIRE_TIME, expireTime);

        if (LOCK_SUCCESS.equals(result)) {
            return true;
        }
        return false;

    }

? 我们也可以通过 Lua 脚本来实现锁的设置和过期时间的原子性,再通过 jedis.eval() 方法运行该脚本:

// 加锁脚本
private static final String SCRIPT_LOCK = "if redis.call(‘setnx‘, KEYS[1], ARGV[1]) == 1 then redis.call(‘pexpire‘, KEYS[1], ARGV[2]) return 1 else return 0 end";

// 解锁脚本
private static final String SCRIPT_UNLOCK = "if redis.call(‘get‘, KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call(‘del‘, KEYS[1]) else return 0 end";

? 虽然 SETNX 方法保证了设置锁和过期时间的原子性,但如果我们设置的过期时间比较短,而执行业务时间比较长,就会存在锁代码块失效的问题。我们需要将过期时间设置得足够长,来保证以上问题不会出现。

? 这个方案是目前最优的分布式锁方案,但如果是在 Redis 集群环境下,依然存在问题。由于 Redis 集群数据同步到各个节点时是异步的,如果在 Master 节点获取到锁后,在没有同步到其它节点时,Master 节点崩溃了,此时新的 Master 节点依然可以获取锁,所以多个应用服务可以同时获取到锁。

Redlock 算法

? Redisson 由 Redis 官方推出。它不仅提供了一系列的分布式的 Java 常用对象,还提供了许多分布式服务。Redisson 是基于 netty 通信框架实现的,所以支持非阻塞通信,性能相对于我们熟悉的 Jedis 会好一些。

? Redisson 中实现了 Redis 分布式锁,且支持单点模式和集群模式。在集群模式下,Redisson 使用了 Redlock 算法,避免在 Master 节点崩溃切换到另外一个 Master 时,多个应用同时获得锁。我们可以通过一个应用服务获取分布式锁的流程,了解下 Redlock 算法的实现:

? 具体的代码实现如下:

  1. 首先引入 jar 包:

    <dependency>
         <groupId>org.redisson</groupId>
         <artifactId>redisson</artifactId>
         <version>3.8.2</version>
    </dependency>
  2. 实现 Redisson 的配置文件:

    @Bean
    public RedissonClient redissonClient() {
       Config config = new Config();
       config.useClusterServers()
               .setScanInterval(2000) // 集群状态扫描间隔时间,单位是毫秒
               .addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7000).setPassword("1")
               .addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7001").setPassword("1")
               .addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7002")
               .setPassword("1");
       return Redisson.create(config);
    }
  3. 获取锁操作:
long waitTimeout = 10;
long leaseTime = 1;
RLock lock1 = redissonClient1.getLock("lock1");
RLock lock2 = redissonClient2.getLock("lock2");
RLock lock3 = redissonClient3.getLock("lock3");

RedissonRedLock redLock = new RedissonRedLock(lock1, lock2, lock3);
// 同时加锁:lock1 lock2 lock3
// 红锁在大部分节点上加锁成功就算成功,且设置总超时时间以及单个节点超时时间
redLock.trylock(waitTimeout,leaseTime,TimeUnit.SECONDS);
...
redLock.unlock();

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