spring boot redis分布式锁

2022-05-24 20:09:12

随着现在分布式架构越来越盛行，在很多场景下需要使用到分布式锁。分布式锁的实现有很多种，比如基于数据库、 zookeeper 等，本文主要介绍使用 Redis 做分布式锁的方式，并封装成spring boot starter，方便使用

一. Redis分布式锁的实现以及存在的问题
锁是针对某个资源，保证其访问的互斥性，在实际使用当中，这个资源一般是一个字符串。使用 Redis 实现锁，主要是将资源放到 Redis 当中，利用其原子性，当其他线程访问时，如果 Redis 中已经存在这个资源，就不允许之后的一些操作。spring boot使用 Redis 的操作主要是通过 RedisTemplate 来实现，一般步骤如下：
将锁资源放入 Redis （注意是当key不存在时才能放成功，所以使用 setIfAbsent 方法）：

redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("key", "value");

设置过期时间

redisTemplate.expire("key", 30000, TimeUnit.MILLISECONDS);

释放锁

redisTemplate.delete("key");

一般情况下，这样的实现就能够满足锁的需求了，但是如果在调用 setIfAbsent 方法之后线程挂掉了，即没有给锁定的资源设置过期时间，默认是永不过期，那么这个锁就会一直存在。所以需要保证设置锁及其过期时间两个操作的原子性，spring data的 RedisTemplate 当中并没有这样的方法。但是在jedis当中是有这种原子操作的方法的，需要通过 RedisTemplate 的 execute 方法获取到jedis里操作命令的对象，代码如下：

String result = redisTemplate.execute(new RedisCallback<String>() {    @Override
    public String doInRedis(RedisConnection connection) throws DataAccessException {
        JedisCommands commands = (JedisCommands) connection.getNativeConnection();        return commands.set(key, "锁定的资源", "NX", "PX", expire);
    }
});

注意： Redis 从2.6.12版本开始 set 命令支持 NX 、 PX 这些参数来达到 setnx 、 setex 、 psetex 命令的效果，文档参见： http://doc.redisfans.com/string/set.html

NX：表示只有当锁定资源不存在的时候才能 SET 成功。利用 Redis 的原子性，保证了只有第一个请求的线程才能获得锁，而之后的所有线程在锁定资源被释放之前都不能获得锁。

PX： expire 表示锁定的资源的自动过期时间，单位是毫秒。具体过期时间根据实际场景而定

这样在获取锁的时候就能够保证设置 Redis 值和过期时间的原子性，避免前面提到的两次 Redis 操作期间出现意外而导致的锁不能释放的问题。但是这样还是可能会存在一个问题，考虑如下的场景顺序：

线程T1获取锁
线程T1执行业务操作，由于某些原因阻塞了较长时间
锁自动过期，即锁自动释放了

线程T2获取锁
线程T1业务操作完毕，释放锁（其实是释放的线程T2的锁）

按照这样的场景顺序，线程T2的业务操作实际上就没有锁提供保护机制了。所以，每个线程释放锁的时候只能释放自己的锁，即锁必须要有一个拥有者的标记，并且也需要保证释放锁的原子性操作。

因此在获取锁的时候，可以生成一个随机不唯一的串放入当前线程中，然后再放入 Redis 。释放锁的时候先判断锁对应的值是否与线程中的值相同，相同时才做删除操作。

Redis 从2.6.0开始通过内置的 Lua 解释器，可以使用 EVAL 命令对 Lua 脚本进行求值，文档参见： http://doc.redisfans.com/script/eval.html
因此我们可以通过 Lua 脚本来达到释放锁的原子操作，定义 Lua 脚本如下：

if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
    return redis.call("del",KEYS[1])else
    return 0end

具体意思可以参考上面提供的文档地址
使用 RedisTemplate 执行的代码如下：

// 使用Lua脚本删除Redis中匹配value的key，可以避免由于方法执行时间过长而redis锁自动过期失效的时候误删其他线程的锁// spring自带的执行脚本方法中，集群模式直接抛出不支持执行脚本的异常，所以只能拿到原redis的connection来执行脚本Long result = redisTemplate.execute(new RedisCallback<Long>() {    public Long doInRedis(RedisConnection connection) throws DataAccessException {
        Object nativeConnection = connection.getNativeConnection();        // 集群模式和单机模式虽然执行脚本的方法一样，但是没有共同的接口，所以只能分开执行
        // 集群模式
        if (nativeConnection instanceof JedisCluster) {            return (Long) ((JedisCluster) nativeConnection).eval(UNLOCK_LUA, keys, args);
        }        // 单机模式
        else if (nativeConnection instanceof Jedis) {            return (Long) ((Jedis) nativeConnection).eval(UNLOCK_LUA, keys, args);
        }        return 0L;
    }
});

代码中分为集群模式和单机模式，并且两者的方法、参数都一样，原因是spring封装的执行脚本的方法中（ RedisConnection 接口继承于 RedisScriptingCommands 接口的 eval 方法），集群模式的方法直接抛出了不支持执行脚本的异常（虽然实际是支持的），所以只能拿到 Redis 的connection来执行脚本，而 JedisCluster 和 Jedis中的方法又没有实现共同的接口，所以只能分开调用。

spring封装的集群模式执行脚本方法源码：

# JedisClusterConnection.java/**
 * (non-Javadoc)
 * @see org.springframework.data.redis.connection.RedisScriptingCommands#eval(byte[], org.springframework.data.redis.connection.ReturnType, int, byte[][])
 */
@Override
public <T> T eval(byte[] script, ReturnType returnType, int numKeys, byte[]... keysAndArgs) {    throw new InvalidDataAccessApiUsageException("Eval is not supported in cluster environment.");}

至此，我们就完成了一个相对可靠的 Redis 分布式锁，但是，在集群模式的极端情况下，还是可能会存在一些问题，比如如下的场景顺序（本文暂时不深入开展）：
线程T1获取锁成功
Redis 的master节点挂掉，slave自动顶上
线程T2获取锁，会从slave节点上去判断锁是否存在，由于Redis的master slave复制是异步的，所以此时线程T2可能成功获取到锁
为了可以以后扩展为使用其他方式来实现分布式锁，定义了接口和抽象类，所有的源码如下：

# DistributedLock.java *接口/**
 * @author fuwei.deng
 * @date 2017年6月14日 下午3:11:05
 * @version 1.0.0
 */public interface DistributedLock {    
    public static final long TIMEOUT_MILLIS = 30000;    
    public static final int RETRY_TIMES = Integer.MAX_VALUE;    
    public static final long SLEEP_MILLIS = 500;    public boolean lock(String key);    
    public boolean lock(String key, int retryTimes);    
    public boolean lock(String key, int retryTimes, long sleepMillis);    
    public boolean lock(String key, long expire);    
    public boolean lock(String key, long expire, int retryTimes);    
    public boolean lock(String key, long expire, int retryTimes, long sleepMillis);    
    public boolean releaseLock(String key);
}

# AbstractDistributedLock.java 抽象类，实现基本的方法，关键方法由子类去实现/**
 * @author fuwei.deng
 * @date 2017年6月14日 下午3:10:57
 * @version 1.0.0
 */public abstract class AbstractDistributedLock implements DistributedLock {    @Override
    public boolean lock(String key) {
        return lock(key, TIMEOUT_MILLIS, RETRY_TIMES, SLEEP_MILLIS);
    }    @Override
    public boolean lock(String key, int retryTimes) {
        return lock(key, TIMEOUT_MILLIS, retryTimes, SLEEP_MILLIS);
    }    @Override
    public boolean lock(String key, int retryTimes, long sleepMillis) {
        return lock(key, TIMEOUT_MILLIS, retryTimes, sleepMillis);
    }    @Override
    public boolean lock(String key, long expire) {
        return lock(key, expire, RETRY_TIMES, SLEEP_MILLIS);
    }    @Override
    public boolean lock(String key, long expire, int retryTimes) {
        return lock(key, expire, retryTimes, SLEEP_MILLIS);
    }

}

# RedisDistributedLock.java Redis分布式锁的实现import java.util.ArrayList;import java.util.List;import java.util.UUID;import org.slf4j.Logger;import org.slf4j.LoggerFactory;import org.springframework.dao.DataAccessException;import org.springframework.data.redis.connection.RedisConnection;import org.springframework.data.redis.core.RedisCallback;import org.springframework.data.redis.core.RedisTemplate;import org.springframework.util.StringUtils;import redis.clients.jedis.Jedis;import redis.clients.jedis.JedisCluster;import redis.clients.jedis.JedisCommands;/**
 * @author fuwei.deng
 * @date 2017年6月14日 下午3:11:14
 * @version 1.0.0
 */public class RedisDistributedLock extends AbstractDistributedLock {    
    private final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(RedisDistributedLock.class);    
    private RedisTemplate<Object, Object> redisTemplate;    
    private ThreadLocal<String> lockFlag = new ThreadLocal<String>();    
    public static final String UNLOCK_LUA;    static {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append("if redis.call(\"get\",KEYS[1]) == ARGV[1] ");
        sb.append("then ");
        sb.append("    return redis.call(\"del\",KEYS[1]) ");
        sb.append("else ");
        sb.append("    return 0 ");
        sb.append("end ");
        UNLOCK_LUA = sb.toString();
    }    public RedisDistributedLock(RedisTemplate<Object, Object> redisTemplate) {        super();        this.redisTemplate = redisTemplate;
    }

    @Override    public boolean lock(String key, long expire, int retryTimes, long sleepMillis) {        boolean result = setRedis(key, expire);        // 如果获取锁失败，按照传入的重试次数进行重试
        while((!result) && retryTimes-- > 0){            try {
                logger.debug("lock failed, retrying..." + retryTimes);
                Thread.sleep(sleepMillis);
            } catch (InterruptedException e) {                return false;
            }
            result = setRedis(key, expire);
        }        return result;
    }    
    private boolean setRedis(String key, long expire) {        try {
            String result = redisTemplate.execute(new RedisCallback<String>() {
                @Override                public String doInRedis(RedisConnection connection) throws DataAccessException {
                    JedisCommands commands = (JedisCommands) connection.getNativeConnection();
                    String uuid = UUID.randomUUID().toString();
                    lockFlag.set(uuid);                    return commands.set(key, uuid, "NX", "PX", expire);
                }
            });            return !StringUtils.isEmpty(result);
        } catch (Exception e) {
            logger.error("set redis occured an exception", e);
        }        return false;
    }
    
    @Override    public boolean releaseLock(String key) {        // 释放锁的时候，有可能因为持锁之后方法执行时间大于锁的有效期，此时有可能已经被另外一个线程持有锁，所以不能直接删除
        try {
            List<String> keys = new ArrayList<String>();
            keys.add(key);
            List<String> args = new ArrayList<String>();
            args.add(lockFlag.get());            // 使用lua脚本删除redis中匹配value的key，可以避免由于方法执行时间过长而redis锁自动过期失效的时候误删其他线程的锁
            // spring自带的执行脚本方法中，集群模式直接抛出不支持执行脚本的异常，所以只能拿到原redis的connection来执行脚本
            
            Long result = redisTemplate.execute(new RedisCallback<Long>() {                public Long doInRedis(RedisConnection connection) throws DataAccessException {
                    Object nativeConnection = connection.getNativeConnection();                    // 集群模式和单机模式虽然执行脚本的方法一样，但是没有共同的接口，所以只能分开执行
                    // 集群模式
                    if (nativeConnection instanceof JedisCluster) {                        return (Long) ((JedisCluster) nativeConnection).eval(UNLOCK_LUA, keys, args);
                    }                    // 单机模式
                    else if (nativeConnection instanceof Jedis) {                        return (Long) ((Jedis) nativeConnection).eval(UNLOCK_LUA, keys, args);
                    }                    return 0L;
                }
            });            
            return result != null && result > 0;
        } catch (Exception e) {
            logger.error("release lock occured an exception", e);
        }        return false;
    }
    
}

二. 基于 AOP 的 Redis 分布式锁
在实际的使用过程中，分布式锁可以封装好后使用在方法级别，这样就不用每个地方都去获取锁和释放锁，使用起来更加方便。
首先定义个注解：

import java.lang.annotation.ElementType;import java.lang.annotation.Inherited;import java.lang.annotation.Retention;import java.lang.annotation.RetentionPolicy;import java.lang.annotation.Target;/**
 * @author fuwei.deng
 * @date 2017年6月14日 下午3:10:36
 * @version 1.0.0
 */@Target({ElementType.METHOD})@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)@Inheritedpublic @interface RedisLock {    /** 锁的资源，redis的key*/
    String value() default "default";    
    /** 持锁时间,单位毫秒*/
    long keepMills() default 30000;    
    /** 当获取失败时候动作*/
    LockFailAction action() default LockFailAction.CONTINUE;    
    public enum LockFailAction{        /** 放弃 */
        GIVEUP,        /** 继续 */
        CONTINUE;
    }    
    /** 重试的间隔时间,设置GIVEUP忽略此项*/
    long sleepMills() default 200;    
    /** 重试次数*/
    int retryTimes() default 5;
}

装配分布式锁的bean

import org.springframework.boot.autoconfigure.AutoConfigureAfter;import org.springframework.boot.autoconfigure.condition.ConditionalOnBean;import org.springframework.boot.autoconfigure.data.redis.RedisAutoConfiguration;import org.springframework.context.annotation.Bean;import org.springframework.context.annotation.Configuration;import org.springframework.data.redis.core.RedisTemplate;import com.itopener.lock.redis.spring.boot.autoconfigure.lock.DistributedLock;import com.itopener.lock.redis.spring.boot.autoconfigure.lock.RedisDistributedLock;/**
 * @author fuwei.deng
 * @date 2017年6月14日 下午3:11:31
 * @version 1.0.0
 */@Configuration@AutoConfigureAfter(RedisAutoConfiguration.class)
public class DistributedLockAutoConfiguration {
    
    @Bean
    @ConditionalOnBean(RedisTemplate.class)
    public DistributedLock redisDistributedLock(RedisTemplate<Object, Object> redisTemplate){        return new RedisDistributedLock(redisTemplate);
    }
    
}

定义切面（spring boot配置方式）

import java.lang.reflect.Method;import java.util.Arrays;import org.aspectj.lang.ProceedingJoinPoint;import org.aspectj.lang.annotation.Around;import org.aspectj.lang.annotation.Aspect;import org.aspectj.lang.annotation.Pointcut;import org.aspectj.lang.reflect.MethodSignature;import org.slf4j.Logger;import org.slf4j.LoggerFactory;import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;import org.springframework.boot.autoconfigure.AutoConfigureAfter;import org.springframework.boot.autoconfigure.condition.ConditionalOnClass;import org.springframework.context.annotation.Configuration;import org.springframework.util.StringUtils;import com.itopener.lock.redis.spring.boot.autoconfigure.annotations.RedisLock;import com.itopener.lock.redis.spring.boot.autoconfigure.annotations.RedisLock.LockFailAction;import com.itopener.lock.redis.spring.boot.autoconfigure.lock.DistributedLock;/**
 * @author fuwei.deng
 * @date 2017年6月14日 下午3:11:22
 * @version 1.0.0
 */@Aspect@Configuration@ConditionalOnClass(DistributedLock.class)@AutoConfigureAfter(DistributedLockAutoConfiguration.class)public class DistributedLockAspectConfiguration {    
    private final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(DistributedLockAspectConfiguration.class);    
    @Autowired
    private DistributedLock distributedLock;    @Pointcut("@annotation(com.itopener.lock.redis.spring.boot.autoconfigure.annotations.RedisLock)")
    private void lockPoint(){
        
    }    
    @Around("lockPoint()")
    public Object around(ProceedingJoinPoint pjp) throws Throwable{
        Method method = ((MethodSignature) pjp.getSignature()).getMethod();
        RedisLock redisLock = method.getAnnotation(RedisLock.class);
        String key = redisLock.value();        if(StringUtils.isEmpty(key)){
            Object[] args = pjp.getArgs();
            key = Arrays.toString(args);
        }
        int retryTimes = redisLock.action().equals(LockFailAction.CONTINUE) ? redisLock.retryTimes() : 0;
        boolean lock = distributedLock.lock(key, redisLock.keepMills(), retryTimes, redisLock.sleepMills());        if(!lock) {
            logger.debug("get lock failed : " + key);            return null;
        }        
        //得到锁,执行方法，释放锁
        logger.debug("get lock success : " + key);        try {            return pjp.proceed();
        } catch (Exception e) {
            logger.error("execute locked method occured an exception", e);
        } finally {
            boolean releaseResult = distributedLock.releaseLock(key);
            logger.debug("release lock : " + key + (releaseResult ? " success" : " failed"));
        }        return null;
    }
}

spring boot starter还需要在 resources/META-INF 中添加 spring.factories 文件

# Auto Configureorg.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration=\
com.itopener.lock.redis.spring.boot.autoconfigure.DistributedLockAutoConfiguration,\
com.itopener.lock.redis.spring.boot.autoconfigure.DistributedLockAspectConfiguration

这样封装之后，使用spring boot开发的项目，直接依赖这个starter，就可以在方法上加 RedisLock 注解来实现分布式锁的功能了，当然如果需要自己控制，直接注入分布式锁的bean即可

@Autowiredprivate DistributedLock distributedLock;

如果需要使用其他的分布式锁实现，继承 AbstractDistributedLock 后实现获取锁和释放锁的方法即可
源码地址：
https://gitee.com/itopener/springboot （目录：itopener-parent / spring-boot-starters-parent / lock-redis-spring-boot-starter-parent）
文章来源：https://my.oschina.net/dengfuwei/blog/1600681
更多参考内容：http://www.roncoo.com/article/index?tn=SpringBoot

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