redis深度历险 千帆竞发 —— 分布式锁

分布式应用进行逻辑处理时经常会遇到并发问题。
比如一个操作要修改用户的状态，修改状态需要先读出用户的状态，在内存里进行修改，改完了再存回去。如果这样的操作同时进行了，就会出现并发问题，因为读取和保存状态这两个操作不是原子的。（Wiki 解释：所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch 线程切换。）

这个时候就要使用到分布式锁来限制程序的并发执行。Redis 分布式锁使用非常广泛，它是面试的重要考点之一，很多同学都知道这个知识，也大致知道分布式锁的原理，但是具体到细节的使用上往往并不完全正确。

1 分布式锁

分布式锁本质上要实现的目标就是在 Redis 里面占一个“茅坑”，当别的进程也要来占时，发现已经有人蹲在那里了，就只好放弃或者稍后再试。

1 .1 基于set命令的分布式锁

1. 加锁：使用setnx进行加锁，当该指令返回1时，说明成功获得锁。
2. 解锁：当得到锁的线程执行完任务之后，使用del命令释放锁，以便其他线程可以继续执行setnx命令来获得锁。

127.0.0.1:6379> setnx lock:codehole true
(integer) 1
127.0.0.1:6379>  .. do something critical ..
127.0.0.1:6379>  .. do something critical ..
127.0.0.1:6379> del lock:codehole
(integer) 1
127.0.0.1:6379>
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存在的问题：假设线程获取了锁之后，在执行任务的过程中挂掉，来不及显示地执行del命令释放锁，那么竞争该锁的线程都会执行不了，产生死锁的情况。

3. 解决方案：设置锁超时时间。

setnx 的 key 必须设置一个超时时间，以保证即使没有被显式释放，这把锁也要在一定时间后自动释放。可以使用expire命令设置锁超时时间。

127.0.0.1:6379> setnx lock:codehole true
(integer) 1
127.0.0.1:6379> expire lock:codehole 5
(integer) 1
127.0.0.1:6379>.. do something critical ..
127.0.0.1:6379>.. do something critical ..
127.0.0.1:6379> del lock:codehole
(integer) 1
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存在问题：setnx 和 expire 不是原子性的操作，假设某个线程执行setnx 命令，成功获得了锁，但是还没来得及执行expire 命令，服务器就挂掉了，这样一来，这把锁就没有设置过期时间了，变成了死锁，别的线程再也没有办法获得锁了。

4. 解决方案：redis的set命令支持在获取锁的同时设置key的过期时间。

set  lock:codehole    true                ex 5                nx
SET  lock_name        my_random_value     EX 30000            NX 
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存在问题：

• 假如线程A成功得到了锁，并且设置的超时时间是 30 秒。如果某些原因导致线程 A 执行的很慢，过了 30秒都没执行完，这时候锁过期自动释放，线程 B 得到了锁。
• 随后，线程A执行完任务，接着执行del指令来释放锁。但这时候线程 B 还没执行完，线程A实际上删除的是线程B加的锁。

解决方案：

可以在 del 释放锁之前做一个判断，验证当前的锁是不是自己加的锁。在加锁的时候把当前的线程 ID 当做value，并在删除之前验证 key 对应的 value 是不是自己线程的 ID。

但是，这样做其实隐含了一个新的问题，get操作、判断和释放锁是两个独立操作，不是原子性。对于非原子性的问题，我们可以使用Lua脚本来确保操作的原子性。

5. 锁续期：（这种机制类似于redisson的看门狗机制，文章后面会详细说明）

虽然步骤4避免了线程A误删掉key的情况，但是同一时间有 A，B 两个线程在访问代码块，仍然是不完美的。怎么办呢？我们可以让获得锁的线程开启一个守护线程，用来给快要过期的锁“续期”。

线程A执行完需要30秒的时间 ：

① 假设线程A执行了29 秒后还没执行完，这时候守护线程会执行 expire 指令，为这把锁续期 20 秒。守护线程从第 29 秒开始执行，每 20 秒执行一次。

② 情况一：当线程A执行完任务，会显式关掉守护线程。

③ 情况二：如果服务器忽然断电，由于线程 A 和守护线程在同一个进程，守护线程也会停下。这把锁到了超时的时候，没人给它续命，也就自动释放了。

1.2 Redisson的基本使用方法

pom.xml文件的导入依赖：

        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.redisson</groupId>
            <artifactId>redisson</artifactId>
            <version>3.15.0</version>
        </dependency>
        <!-- https://mvnrepository.com/artifact/redis.clients/jedis -->
        <dependency>
            <groupId>redis.clients</groupId>
            <artifactId>jedis</artifactId>
            <version>3.6.0</version>
        </dependency>

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application.xml:

spring.redis.port=6379
spring.redis.host=localhost
server.port=8081

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启动类：

package com.zs;

import org.redisson.Redisson;
import org.redisson.config.Config;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.context.annotation.Bean;

@SpringBootApplication
public class SpringbootRedisApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(SpringbootRedisApplication.class, args);
    }

    @Bean
    public Redisson redisson() {
        // 单机模式
        Config config = new Config();
        config.useSingleServer().setAddress("redis://localhost:6379").setDatabase(0);
        return (Redisson) Redisson.create(config);
    }

}


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测试类：

package com.zs.controller;

import org.redisson.Redisson;
import org.redisson.api.RLock;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.data.redis.core.StringRedisTemplate;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

/**
 * @author zhaoshuai06 
 * Created on 2021-06-07
 */
@RestController
public class IndexController {
    @Autowired
    private Redisson redisson;
    @Autowired
    private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;
    @RequestMapping("/deduct_stock")
    public String deductStock() {
        String lockKey = "product_001";
        RLock redissonLock = redisson.getLock(lockKey);
        try{
            redissonLock.lock();
            int stock = Integer.parseInt(stringRedisTemplate.opsForValue().get("stock"));
            if (stock > 0) {
                int realStock = stock - 1;
                stringRedisTemplate.opsForValue().set("stock", realStock + "");
                System.out.println("扣减成功， 剩余库存：" + realStock);
            }else {
                System.out.println("扣减失败， 库存不足：");
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            redissonLock.unlock();
        }
        return "end";
    }
}

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