分布式鎖與實現(一)——基于Redis實現

概述

目前幾乎很多大型網站及應用都是分布式部署的，分布式場景中的數據一致性問題一直是一個比較重要的話題。分布式的CAP理論告訴我們“任何一個分布式系統都無法同時滿足一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分區容錯性（Partition tolerance），最多只能同時滿足兩項。”所以，很多系統在設計之初就要對這三者做出取舍。在互聯網領域的絕大多數的場景中，都需要犧牲強一致性來換取系統的高可用性，系統往往只需要保證“最終一致性”，只要這個最終時間是在用戶可以接受的范圍內即可。

在很多場景中，我們為了保證數據的最終一致性，需要很多的技術方案來支持，比如分布式事務、分布式鎖等。

選用Redis實現分布式鎖原因

• Redis有很高的性能
• Redis命令對此支持較好，實現起來比較方便

在此就不介紹Redis的安裝了，具體在Linux和Windows中的安裝可以查看我前面的博客。
http://www.cnblogs.com/liuyang0/p/6504826.html

使用命令介紹

SETNX

SETNX key val
當且僅當key不存在時，set一個key為val的字符串，返回1；若key存在，則什么都不做，返回0。

expire

expire key timeout
為key設置一個超時時間，單位為second，超過這個時間鎖會自動釋放，避免死鎖。

delete

delete key
刪除key

在使用Redis實現分布式鎖的時候，主要就會使用到這三個命令。

實現

使用的是jedis來連接Redis。

實現思想

• 獲取鎖的時候，使用setnx加鎖，并使用expire命令為鎖添加一個超時時間，超過該時間則自動釋放鎖，鎖的value值為一個隨機生成的UUID，通過此在釋放鎖的時候進行判斷。
• 獲取鎖的時候還設置一個獲取的超時時間，若超過這個時間則放棄獲取鎖。
• 釋放鎖的時候，通過UUID判斷是不是該鎖，若是該鎖，則執行delete進行鎖釋放。

分布式鎖的核心代碼如下：

package com.distribute;

import redis.clients.jedis.Jedis;
import redis.clients.jedis.JedisPool;
import redis.clients.jedis.Transaction;
import redis.clients.jedis.exceptions.JedisException;

import java.util.List;
import java.util.UUID;

/**
 * Created by liuyang on 2017/4/20.
 */
public class DistributedLock {
    private final JedisPool jedisPool;

    public DistributedLock(JedisPool jedisPool) {
        this.jedisPool = jedisPool;
    }

    /**
     * 加鎖
     *
     * @param locaName       鎖的key
     * @param acquireTimeout 獲取超時時間
     * @param timeout        鎖的超時時間
     * @return 鎖標識
     */
    public String lockWithTimeout(String locaName, long acquireTimeout, long timeout) {
        Jedis conn = null;
        String retIdentifier = null;
        try {
            // 獲取連接
            conn = jedisPool.getResource();
            // 隨機生成一個value
            String identifier = UUID.randomUUID().toString();
            // 鎖名，即key值
            String lockKey = "lock:" + locaName;
            // 超時時間，上鎖后超過此時間則自動釋放鎖
            int lockExpire = (int) (timeout / 1000);

            // 獲取鎖的超時時間，超過這個時間則放棄獲取鎖
            long end = System.currentTimeMillis() + acquireTimeout;
            while (System.currentTimeMillis() < end) {
                if (conn.setnx(lockKey, identifier) == 1) {
                    conn.expire(lockKey, lockExpire);
                    // 返回value值，用于釋放鎖時間確認
                    retIdentifier = identifier;
                    return retIdentifier;
                }
                // 返回-1代表key沒有設置超時時間，為key設置一個超時時間
                if (conn.ttl(lockKey) == -1) {
                    conn.expire(lockKey, lockExpire);
                }

                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }
        } catch (JedisException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (conn != null) {
                conn.close();
            }
        }
        return retIdentifier;
    }

    /**
     * 釋放鎖
     *
     * @param lockName   鎖的key
     * @param identifier 釋放鎖的標識
     * @return
     */
    public boolean releaseLock(String lockName, String identifier) {
        Jedis conn = null;
        String lockKey = "lock:" + lockName;
        boolean retFlag = false;
        try {
            conn = jedisPool.getResource();
            while (true) {
                // 監視lock，準備開始事務
                conn.watch(lockKey);
                // 通過前面返回的value值判斷是不是該鎖，若是該鎖，則刪除，釋放鎖
                if (identifier.equals(conn.get(lockKey))) {
                    Transaction transaction = conn.multi();
                    transaction.del(lockKey);
                    List<Object> results = transaction.exec();
                    if (results == null) {
                        continue;
                    }
                    retFlag = true;
                }
                conn.unwatch();
                break;
            }
        } catch (JedisException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (conn != null) {
                conn.close();
            }
        }
        return retFlag;
    }
}

測試

下面就用一個簡單的例子測試剛才實現的分布式鎖。
例子中使用50個線程模擬秒殺一個商品，使用--運算符來實現商品減少，從結果有序性就可以看出是否為加鎖狀態。

模擬秒殺服務，在其中配置了jedis線程池，在初始化的時候傳給分布式鎖，供其使用。

import redis.clients.jedis.JedisPool;
import redis.clients.jedis.JedisPoolConfig;

/**
 * Created by liuyang on 2017/4/20.
 */
public class Service {
    private static JedisPool pool = null;

    static {
        JedisPoolConfig config = new JedisPoolConfig();
        // 設置最大連接數
        config.setMaxTotal(200);
        // 設置最大空閑數
        config.setMaxIdle(8);
        // 設置最大等待時間
        config.setMaxWaitMillis(1000 * 100);
        // 在borrow一個jedis實例時，是否需要驗證，若為true，則所有jedis實例均是可用的
        config.setTestOnBorrow(true);
        pool = new JedisPool(config, "127.0.0.1", 6379, 3000);
    }

    DistributedLock lock = new DistributedLock(pool);

    int n = 500;

    public void seckill() {
        // 返回鎖的value值，供釋放鎖時候進行判斷
        String indentifier = lock.lockWithTimeout("resource", 5000, 1000);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "獲得了鎖");
        System.out.println(--n);
        lock.releaseLock("resource", indentifier);
    }
}

?

// 模擬線程進行秒殺服務

public class ThreadA extends Thread {
    private Service service;

    public ThreadA(Service service) {
        this.service = service;
    }

    @Override
    public void run() {
        service.seckill();
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Service service = new Service();
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            ThreadA threadA = new ThreadA(service);
            threadA.start();
        }
    }
}

?

結果如下，結果為有序的。

public void seckill() {
    // 返回鎖的value值，供釋放鎖時候進行判斷
    //String indentifier = lock.lockWithTimeout("resource", 5000, 1000);
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "獲得了鎖");
    System.out.println(--n);
    //lock.releaseLock("resource", indentifier);
}

從結果可以看出，有一些是異步進行的。

在分布式環境中，對資源進行上鎖有時候是很重要的，比如搶購某一資源，這時候使用分布式鎖就可以很好地控制資源。
當然，在具體使用中，還需要考慮很多因素，比如超時時間的選取，獲取鎖時間的選取對并發量都有很大的影響，上述實現的分布式鎖也只是一種簡單的實現，主要是一種思想。

下一次我會使用zookeeper實現分布式鎖，使用zookeeper的可靠性是要大于使用redis實現的分布式鎖的，但是相比而言，redis的性能更好。

上面的代碼可以在我的GitHub中進行查看，地址如下：
https://github.com/yangliu0/DistributedLock