Redis分布式鎖如何實(shí)現(xiàn) ?

在分布式系統(tǒng)中，保證數(shù)據(jù)一致性和并發(fā)控制是至關(guān)重要的挑戰(zhàn)之一。分布式鎖是一種常用的解決方案，而Redis作為一個(gè)快速、可靠的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)，提供了實(shí)現(xiàn)分布式鎖的有效方法。本文將介紹Redis分布式鎖的實(shí)現(xiàn)原理和使用方法，以確保數(shù)據(jù)一致性并控制并發(fā)訪問(wèn)，幫助讀者理解和應(yīng)用這一關(guān)鍵技術(shù)。

Redis分布式鎖主要依靠一個(gè) SETNX 指令實(shí)現(xiàn)的 , 這條命令的含義就是“SET if Not Exists”，即不存在的時(shí)候才會(huì)設(shè)置值。只有在key不存在的情況下，將鍵key的值設(shè)置為value。如果key已經(jīng)存在，則SETNX命令不做任何操作。這個(gè)命令的返回值如下：

• 命令在設(shè)置成功時(shí)返回1。
• 命令在設(shè)置失敗時(shí)返回0。

假設(shè)此時(shí)有線(xiàn)程A和線(xiàn)程B同時(shí)訪問(wèn)臨界區(qū)代碼，假設(shè)線(xiàn)程A首先執(zhí)行了SETNX命令，并返回結(jié)果1，繼續(xù)向下執(zhí)行。而此時(shí)線(xiàn)程B再次執(zhí)行SETNX命令時(shí)，返回的結(jié)果為0，則線(xiàn)程B不能繼續(xù)向下執(zhí)行。只有當(dāng)線(xiàn)程A執(zhí)行DELETE命令將設(shè)置的鎖狀態(tài)刪除時(shí)，線(xiàn)程B才會(huì)成功執(zhí)行SETNX命令設(shè)置加鎖狀態(tài)后繼續(xù)向下執(zhí)行 

Boolean isLocked = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(PRODUCT_ID, "binghe");

當(dāng)然我們?cè)谑褂梅植际芥i的時(shí)候也不能這么簡(jiǎn)單, 會(huì)考慮到一些實(shí)際場(chǎng)景下的問(wèn)題 , 例如 :

• 死鎖問(wèn)題：在使用分布式鎖的時(shí)候, 如果因?yàn)橐恍┰驅(qū)е孪到y(tǒng)宕機(jī), 鎖資源沒(méi)有被釋放, 就會(huì)產(chǎn)生死鎖，解決的方案 : 上鎖的時(shí)候設(shè)置鎖的超時(shí)時(shí)間

Boolean isLocked = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(PRODUCT_ID, "binghe", 30, TimeUnit.SECONDS);

• 鎖超時(shí)問(wèn)題：如果業(yè)務(wù)執(zhí)行需要的時(shí)間, 超過(guò)的鎖的超時(shí)時(shí)間 , 這個(gè)時(shí)候業(yè)務(wù)還沒(méi)有執(zhí)行完成, 鎖就已經(jīng)自動(dòng)被刪除了 ，其他請(qǐng)求就能獲取鎖, 操作這個(gè)資源 , 這個(gè)時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)并發(fā)問(wèn)題 , 解決的方案 :

            1.引入Redis的watch dog機(jī)制, 自動(dòng)為鎖續(xù)期 
            2.開(kāi)啟子線(xiàn)程 , 每隔20S運(yùn)行一次, 重新設(shè)置鎖的超時(shí)時(shí)間

• 歸一問(wèn)題：如果一個(gè)線(xiàn)程獲取了分布式鎖, 但是這個(gè)線(xiàn)程業(yè)務(wù)沒(méi)有執(zhí)行完成之前 , 鎖被其他的線(xiàn)程刪掉了, 又會(huì)出現(xiàn)線(xiàn)程并發(fā)問(wèn)題 , 這個(gè)時(shí)候就需要考慮歸一化問(wèn)題，就是一個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行了加鎖操作后，后續(xù)必須由這個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行解鎖操作，加鎖和解鎖操作由同一個(gè)線(xiàn)程來(lái)完成。為了解決只有加鎖的線(xiàn)程才能進(jìn)行相應(yīng)的解鎖操作的問(wèn)題，那么，我們就需要將加鎖和解鎖操作綁定到同一個(gè)線(xiàn)程中，可以使用ThreadLocal來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題 , 加鎖的時(shí)候生成唯一標(biāo)識(shí)保存到ThreadLocal , 并且設(shè)置到鎖的值中 , 釋放鎖的時(shí)候, 判斷線(xiàn)程中的唯一標(biāo)識(shí)和鎖的唯一標(biāo)識(shí)是否相同, 只有相同才會(huì)釋放。

public class RedisLockImpl implements RedisLock{
    @Autowired
    private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;

    private ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<String>();

    @Override
    public boolean tryLock(String key, long timeout, TimeUnit unit){
        String uuid = UUID.randomUUID().toString();
        threadLocal.set(uuid);
        return stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, uuid,timeout, unit);
    }

    @Override
    public void releaseLock(String key){
        //當(dāng)前線(xiàn)程中綁定的uuid與Redis中的uuid相同時(shí)，再執(zhí)行刪除鎖的操作
        if(threadLocal.get().equals(stringRedisTemplate.opsForValue().get(key))){
            stringRedisTemplate.delete(key);
        }
    }
}

• 可重入問(wèn)題：當(dāng)一個(gè)線(xiàn)程成功設(shè)置了鎖標(biāo)志位后，其他的線(xiàn)程再設(shè)置鎖標(biāo)志位時(shí)，就會(huì)返回失敗。還有一種場(chǎng)景就是在一個(gè)業(yè)務(wù)中, 有個(gè)操作都需要獲取到鎖, 這個(gè)時(shí)候第二個(gè)操作就無(wú)法獲取鎖了 , 操作會(huì)失敗

例如 : 下單業(yè)務(wù)中, 扣減商品庫(kù)存會(huì)給商品加鎖, 增加商品銷(xiāo)量也需要給商品加鎖 , 這個(gè)時(shí)候需要獲取二次鎖。第二次獲取商品鎖就會(huì)失敗 , 這就需要我們的分布式鎖能夠?qū)崿F(xiàn)可重入。實(shí)現(xiàn)可重入鎖最簡(jiǎn)單的方式就是使用計(jì)數(shù)器 , 加鎖成功之后計(jì)數(shù)器+ 1 , 取消鎖之后計(jì)數(shù)器 -1 , 計(jì)數(shù)器減為0 , 真正從Redis刪除鎖。

public class RedisLockImpl implements RedisLock{
    @Autowired
    private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;

    private ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<String>();

    private ThreadLocal<Integer> threadLocalInteger = new ThreadLocal<Integer>();

    @Override
    public boolean tryLock(String key, long timeout, TimeUnit unit){
        Boolean isLocked = false;
        if(threadLocal.get() == null){
            String uuid = UUID.randomUUID().toString();
            threadLocal.set(uuid);
            isLocked = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key,uuid, timeout, unit);
        }else{
            isLocked = true;
        }
        //加鎖成功后將計(jì)數(shù)器加1
        if(isLocked){
            Integer count = threadLocalInteger.get() == null ? 0 :threadLocalInteger.get();
            threadLocalInteger.set(count++);
            }
        return isLocked;
    }

    @Override
    public void releaseLock(String key){
        //當(dāng)前線(xiàn)程中綁定的uuid與Redis中的uuid相同時(shí)，再執(zhí)行刪除鎖的操作
        if(threadLocal.get().equals(stringRedisTemplate.opsForValue().get(key))){
            Integer count = threadLocalInteger.get();
            //計(jì)數(shù)器減為0時(shí)釋放鎖
            if(count == null || --count <= 0){
                stringRedisTemplate.delete(key);
            }
        }
    }
}

• 阻塞與非阻塞問(wèn)題：在使用分布式鎖的時(shí)候 , 如果當(dāng)前需要操作的資源已經(jīng)加了鎖, 這個(gè)時(shí)候會(huì)獲取鎖失敗, 直接向用戶(hù)返回失敗信息 , 用戶(hù)的體驗(yàn)非常不好 , 所以我們?cè)趯?shí)現(xiàn)分布式鎖的時(shí)候, 我們可以將后續(xù)的請(qǐng)求進(jìn)行阻塞，直到當(dāng)前請(qǐng)求釋放鎖后，再喚醒阻塞的請(qǐng)求獲得分布式鎖來(lái)執(zhí)行方法。具體的實(shí)現(xiàn)就是參考自旋鎖的思想, 獲取鎖失敗自選獲取鎖, 直到成功為止 , 當(dāng)然為了防止多條線(xiàn)程自旋帶來(lái)的系統(tǒng)資料消耗, 可以設(shè)置一個(gè)自旋的超時(shí)時(shí)間 , 超過(guò)時(shí)間之后, 自動(dòng)終止線(xiàn)程 , 返回失敗信息。

總結(jié)

Redis分布式鎖是一種強(qiáng)大的工具，用于確保在分布式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的一致性和并發(fā)控制。通過(guò)Redis的SETNX命令和過(guò)期時(shí)間的設(shè)置，我們可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而有效的分布式鎖機(jī)制。然而，在使用Redis分布式鎖時(shí)，我們需要注意原子性、異常處理和適當(dāng)?shù)呐渲玫确矫?，以確保鎖的可靠性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)業(yè)務(wù)需求選擇合適的過(guò)期時(shí)間和鎖的管理策略，并考慮使用更復(fù)雜的算法和工具來(lái)增強(qiáng)分布式鎖的功能。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和使用，Redis分布式鎖將成為分布式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一致性和并發(fā)控制的重要利器。

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