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鎖的基本概念到Redis分布式鎖實現(xiàn)
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。
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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(xiàn)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(chǎn)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。
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(xiàn)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(fā)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：
我們發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)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(jīng)搶票成功了。
- 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(fā)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(fā)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：
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(yōu)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(tǒng)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(zhí)行效率。
- 這里我們對兩種方式的時間做個打?。?/li>
- 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");
- }
- }
果然，只對部分代碼加鎖會大大提供代碼的執(zhí)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(zhí)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(shù)為：" + babyTickets);
- //購買
- latch.await();
- }
- public synchronized void showSpiderTickets() throws InterruptedException{
- System.out.println("蜘蛛俠的剩余票數(shù)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(zhí)行結果：
魔童哪吒的剩余票數(shù)為：20
我們發(fā)現(xiàn)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?yōu)閮蓚€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(shù)為：" + babyTickets);
- //購買
- latch.await();
- }
- }
- public void showSpiderTickets() throws InterruptedException{
- synchronized (spiderTickets) {
- System.out.println("蜘蛛俠的剩余票數(shù)為：" + spiderTickets);
- //購買
- }
- }
執(zhí)行結果：
魔童哪吒的剩余票數(shù)為：20
蜘蛛俠的剩余票數(shù)為：100
現(xiàn)在兩場電影的購票不會互相影響了，這就是第二個優(yōu)化鎖的方式：減少鎖的粒度。順便提一句，Java并發(fā)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(fā)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(fā)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(yōu)化后，重點介紹分布式鎖的概念。
上圖所示是我們搭建的分布式環(huán)境，有三個購票項目，對應一個庫存，每一個系統(tǒng)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(tǒng)都有各自的JVM進程，互相獨立，所以加synchronized只能保證一個系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的唯一標識，當該系統(tǒng)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(tǒng)中只能有一個系統(tǒng)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(fā)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
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(jù)業(yè)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(jù)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(fā)生死鎖。雖然這種情況發(fā)生的概率很小，但是一旦出現(xiàn)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(jīng)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(xiàn)。
- 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(shù)執(zhí)行的，如果執(zhí)行則會全部執(zhí)行完成。
五、Redis分布式鎖代碼實現(xiàn)
- public class RedisDistributedLock implements Lock {
- //上下文，保存當前鎖的持有人id
- private ThreadLocal
lockContext = new ThreadLocal (); - //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(jīng)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(shù)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(xiàn)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(shù)來執(zhí)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(shù)據(jù)庫的分布式鎖
1）實現(xiàn)方式
獲取鎖的時候插入一條數(shù)據(jù)，解鎖時刪除數(shù)據(jù)。
2）缺點
- 數(shù)據(jù)庫如果掛掉會導致業(yè)務系統(tǒng)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(xiàn)方式
加鎖時在指定節(jié)點的目錄下創(chuàng)建一個新節(jié)點，釋放鎖的時候刪除這個臨時節(jié)點。因為有心跳檢測的存在，所以不會發(fā)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(shù)據(jù)庫
- 從可靠性（安全）性角度： zookeeper > Redis > 數(shù)據(jù)庫
七、總結
本文從鎖的基本概念出發(fā)，提出多線程訪問共享資源會出現(xiàn)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(yōu)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(xiàn)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(yōu)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(chuàng)文章，微信公眾號“宜信技術學院( id: CE_TECH)”】
當前文章：鎖的基本概念到Redis分布式鎖實現(xiàn)
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