Redis實現分布式鎖（利用分布式鎖，實現分布式定時任務）

簡述

利用Redis的Setnx命令，來實現一個分布式的加鎖方案。利用注解，在擁有該注解的方法上，進行切面處理，在方法執行前，進行加鎖，執行結束后，根據是否自動釋放鎖，進行解鎖。
將該注解用在定時任務的方法上，即可實現分布式定時任務，即獲取到鎖的方法，才會執行。

1 redis命令

1.1 setnx命令

  • Redis setnx（SET if Not eXists） 命令在指定的 key 不存在時，為 key 設置指定的值。（該命令無法設置過期時間）
    Redis為單進程單線程模式，采用隊列模式將并發訪問變成串行訪問，且多客戶端對Redis的連接并不存在競爭關系。redis的SETNX命令可以方便的實現分布式鎖。
    當某一個客戶端將key的值設置成功后，其他的客戶端再進行設置，將返回失敗，保證同一時間，只有一個客戶端能夠設置成功。
  • Redis事務
    watch key1 key2 ... : 監視一或多個key，如果在事務執行之前，被監視的key被其他命令改動，則事務被打斷 （ 類似樂觀鎖 ）
    multi : 標記一個事務塊的開始（ queued ）
    exec : 執行所有事務塊的命令 （ 一旦執行exec后，之前加的監控鎖都會被取消掉 ）　
    discard : 取消事務，放棄事務塊中的所有命令
    unwatch : 取消watch對所有key的監控
# 事務正常使用
127.0.0.1:6379> multi
127.0.0.1:6379> set name jack
127.0.0.1:6379> exec

# 取消事務
127.0.0.1:6379> multi
127.0.0.1:6379> set name jack
127.0.0.1:6379> discard

# watch使用
# number初始為10
127.0.0.1:6379> watch number
127.0.0.1:6379> multi
127.0.0.1:6379> set number 11
127.0.0.1:6379> exec
# 如果在執行exec時，number沒有被其他客戶端修改，還是10，則事務執行成功；
# 如果被其他客戶端修改了，number不是10了，則事務執行失敗，這時候就需求程序自行處理，進行再次提交或者其他操作
  • 在spring boot 中，我們用StringRedisTemplate來操作Redis，它的方法：stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent()方法即對應setnx命令，這個方法有兩個重載的方法：
    1、Boolean setIfAbsent(K key, V value); 設置key value，返回成功/失敗
    2、Boolean setIfAbsent(K key, V value, long timeout, TimeUnit unit); 設置key value，返回成功/失敗，同時設置過期時間，redisTemplate 會調用 EXPIRE進行過期時間的設定，同時在設置值和過期時間時，會開啟事務，保存全部成功。
// org.springframework.data.redis.core 中實現的方法
@Override
public Boolean setIfAbsent(K key, V value) {

    byte[] rawKey = rawKey(key);
    byte[] rawValue = rawValue(value);
    return execute(connection -> connection.setNX(rawKey, rawValue), true);
}

@Override
public Boolean setIfAbsent(K key, V value, long timeout, TimeUnit unit) {

    byte[] rawKey = rawKey(key);
    byte[] rawValue = rawValue(value);

    Expiration expiration = Expiration.from(timeout, unit);
    return execute(connection -> connection.set(rawKey, rawValue, expiration, SetOption.ifAbsent()), true);
    }

1.2 DEL命令、lua腳本

在加鎖之后，解鎖時，需要判斷鎖，是否是當前線程所擁有的，如果是當前線程擁有的，則刪除該key，刪除key，用del命令。

  • del key_name

我們會先取出key對應的值，然后判斷是否和當前線程的定義的值一致。如果一致，則說明是該線程擁有的key。如果我們在代碼中取出key的值，然后判斷通過后，調用redis del 刪除key，這就不是一個原子操作了。如果在我們取出key的值后，然后在刪除前，其他線程獲取了鎖，當前線程刪除的動作，就會導致刪除其他線程擁有的鎖。所以釋放鎖，需要利用lua腳本進行，將判斷和刪除，這兩個動作，合為一個原子性的操作。
所以我們會利用代碼去執行下面的lua腳本，保證判斷和刪除的原子性。

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

一般教程中，利用RedisTemplate來執行lua腳本時，會將lua腳本放到靜態資源目錄中。而在下面的代碼中，利用ByteArrayResource直接從String字符串中讀取了lua腳本內容：

    /*
     * 保存lua腳本
     */
    private DefaultRedisScript<List> getRedisScript;

    @PostConstruct
    public void init(){
        // 定義lua腳本資源
        // 也可以放到文件中，加載進來: new ResourceScriptSource(new ClassPathResource("redis/demo.lua"))
        String luaStr = "if redis.call('get',KEYS[1]) == ARGV[1] then return   redis.call('del',KEYS[1])  else return 0 end";
        ByteArrayResource resource = new ByteArrayResource(luaStr.getBytes());

        getRedisScript = new DefaultRedisScript<>();
        getRedisScript.setResultType(List.class);
        getRedisScript.setScriptSource(new ResourceScriptSource(resource));
    }

2 分布式鎖實現

下面是實現的核心類：

  • RedisLock: reids分布式鎖工具類
  • EmLock: 分布式鎖注解
  • LockRangeEnum: 分布式鎖的范圍枚舉
  • EmLockAspect: 分布式鎖切面

2.1 RedisLock，reids分布式鎖工具類

代碼如下：

package com.emdata.lowvis.common.redislock;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.data.redis.core.StringRedisTemplate;
import org.springframework.stereotype.Component;
import org.springframework.util.StringUtils;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * reids分布式鎖工具類
 *
 * @version 1.0
 * @date 2020/12/8 14:37
 */
@Slf4j
@Component
public class RedisLock {

    private static final String SPLIT = "_";

    @Autowired
    private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;

    /**
     * 加鎖解鎖工具類
     * @param lockKey 加鎖的key
     * @param uuid 線程的標志
     * @param timeout 超時時間
     * @param timeUnit 超時時間粒度
     * @return true：獲取成功
     */
    public boolean lock(String lockKey, String uuid, long timeout, TimeUnit timeUnit) {
        // 根據key獲取值
        String currentLock = stringRedisTemplate.opsForValue().get(lockKey);

        // 值為：uuid_時間
        String value = uuid + SPLIT + (timeUnit.toMillis(timeout) + System.currentTimeMillis());

        // 如果為空，則設置值
        if (StringUtils.isEmpty(currentLock)) {
            if (stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(lockKey, value, timeout, timeUnit)) {
                // 對應setnx命令，可以成功設置,也就是key不存在，獲得鎖成功
                return true;
            } else {
                return false;
            }
        } else {
            // 可重入鎖，如果是這個uuid持有的鎖，則更新時間
            if (currentLock.startsWith(uuid)) {
                stringRedisTemplate.opsForValue().set(lockKey, value, timeout, timeUnit);
                return true;
            } else {
                return false;
            }
        }
    }
    
    /*
     * 保存lua腳本
     */
    private DefaultRedisScript<List> getRedisScript;

    @PostConstruct
    public void init(){
        // 定義lua腳本資源
        // 也可以放到文件中，加載進來: new ResourceScriptSource(new ClassPathResource("redis/demo.lua"))
        String luaStr = "if redis.call('get',KEYS[1]) == ARGV[1] then return   redis.call('del',KEYS[1])  else return 0 end";
        ByteArrayResource resource = new ByteArrayResource(luaStr.getBytes());

        getRedisScript = new DefaultRedisScript<>();
        getRedisScript.setResultType(List.class);
        getRedisScript.setScriptSource(new ResourceScriptSource(resource));
    }

    /**
     * 釋放鎖
     *
     * @param lockKey 加鎖的key
     * @param uuid 線程的標志
     */
    public void release(String lockKey, String uuid) {
        try {
            List<Integer> execute = stringRedisTemplate.execute(getRedisScript, Collections.singletonList(lockKey), uuid);
            log.debug("解鎖結果: {}", execute.get(0) == 0);
        } catch (Exception e) {
            log.error("解鎖異常, key: {}, uuid: {}", lockKey, uuid);
            log.error("", e);
        }
    }

}

2.2 EmLock，分布式鎖注解

package com.emdata.lowvis.common.redislock;

import java.lang.annotation.*;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 分布式鎖注解
 *
 * @version 1.0
 * @date 2020/12/8 17:59
 */
@Documented
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target({ElementType.METHOD})
public @interface EmLock {

    /**
     * 鎖的范圍，默認應用級別
     * @return 鎖的范圍
     */
    LockRangeEnum lockRange() default LockRangeEnum.APPLICATION;

    /**
     * 鎖對應的key
     * @return key
     */
    String key();

    /**
     * 鎖超時時間
     * @return 時間
     */
    int timeout() default 5;

    /**
     * 鎖超時時間粒度
     * @return 粒度
     */
    TimeUnit timeUnit() default TimeUnit.SECONDS;

    /**
     * 是否自動釋放鎖
     * @return true: 方法完成后，自動釋放
     */
    boolean autoRelease() default true;
}

2.3 LockRangeEnum， 分布式鎖的范圍枚舉

package com.emdata.lowvis.common.redislock;

/**
 * 分布式鎖的范圍枚舉
 *
 * @author pupengfei
 * @version 1.0
 * @date 2020/12/10 13:46
 */
public enum LockRangeEnum {

    /**
     * 應用級別，鎖的級別在整個應用容器內
     */
    APPLICATION,

    /**
     * 線程級別，鎖的級別在每個線程
     */
    THREAD

}

2.4 EmLockAspect，分布式鎖切面

package com.emdata.lowvis.common.redislock;

import com.emdata.lowvis.common.utils.UUIDUtils;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
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.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.stereotype.Component;

import java.lang.reflect.Method;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 分布式鎖切面
 *
 * @version 1.0
 * @date 2020/12/8 17:59
 */
@Slf4j
@Component
@Aspect
@Configuration
public class EmLockAspect {

    @Autowired
    private RedisLock redisLock;

    /**
     * 應用級別的容器的id
     */
    private final String appUUID = UUIDUtils.get();

    /**
     * 線程級別的線程的id
     */
    private final ThreadLocal<String> threadUUID = ThreadLocal.withInitial(UUIDUtils::get);

    /**
     * 定義切點
     */
    @Pointcut("@annotation(com.emdata.lowvis.common.redislock.EmLock)")
    public void lockAop() {

    }

    @Around("lockAop()")
    public Object doAround(ProceedingJoinPoint point) throws Throwable {
        // 獲取方法
        MethodSignature signature = (MethodSignature) point.getSignature();
        Method method = signature.getMethod();

        // 看有沒有日志注解
        EmLock emLock = method.getAnnotation(EmLock.class);
        if (emLock == null) {
            return point.proceed();
        }

        // 獲取鎖的級別
        LockRangeEnum lockRangeEnum = emLock.lockRange();
        String uuid = lockRangeEnum == LockRangeEnum.APPLICATION ? appUUID : threadUUID.get();

        // 獲取鎖的key和超時時間
        String key = emLock.key();
        int timeout = emLock.timeout();
        TimeUnit timeUnit = emLock.timeUnit();

        // 加鎖
        boolean lock = redisLock.lock(key, uuid, timeout, timeUnit);

        Object proceed = null;

        try {
            if (lock) {
                log.info("獲取到鎖，繼續執行...");
                // 繼續執行
                proceed = point.proceed();
            }
        } finally {
            // 自動釋放，則釋放鎖
            if (emLock.autoRelease()) {
                redisLock.release(key, uuid);
            }
        }

        return proceed;
    }

}

3 使用示例

3.1 使用RedisLock

      @Autowired
    private RedisLock redisLock;

    public void useLock() {
        // 定義鎖的key
        String lockKey = "camera_update_key";
        String uuid = UUIDUtils.get();

        // 定義超時時間
        long timeout = 5;
        TimeUnit timeUnit = TimeUnit.SECONDS;

        // 加鎖
        boolean lock = redisLock.lock(lockKey, uuid, timeout, timeUnit);
        try {
            if (lock) {
                log.info("執行...");
            } else {
                throw new IllegalStateException("未獲取到鎖，放棄執行");
            }
        } finally {
            // 在finally里面進行解鎖
            redisLock.release(lockKey, uuid);
        }
    }

3.2 使用EmLock

@Component
@Slf4j
public class ScheduleTask {

    /**
     * 用在定時任務方法上，鎖的key為test_lock，指定了超時時間為2秒鐘
     * 鎖的級別為默認的應用級別（LockRangeEnum.APPLICATION），在這個如果應用啟動了多個容器運行，在只會有一個容器獲取到鎖，
     * 自動釋放鎖為false，即方法執行完成后，也不會自動釋放鎖，只有到超時時間了，鎖才會釋放
     */
    @Scheduled(cron = "0 0/1 * * * ? ")
    @EmLock(key = "test_lock", timeout = 2, timeUnit = TimeUnit.SECONDS, autoRelease = false)
    public void recordUpdateTask() {
        log.info("執行任務.......");
    }
   
   /**
     * 用在普通的方法上，鎖的key為method_Lock，指定了超時時間為1分鐘，
     * 鎖的級別為默認的線程級別，在該應用內多個線程執行該方法，則只會有一個線程獲取到鎖
     * 如果啟動了多個應用容器，同樣多個容器內的所有線程，也只會有一個線程獲取到鎖
     */
    @EmLock(key = "method_Lock", timeout = 1, timeUnit = TimeUnit.MINUTES, lockRange = LockRangeEnum.THREAD)
    public void recordUpdate() {
        log.info("執行任務2.......");
    }
}

4 使用注意

  • 使用Redis作為分布式鎖的實現，依賴于Redis服務，如果Redis服務無法正常訪問，則會導致整個方法無法執行。
  • 如果EmLock注解用在定時任務上時，如果應用運行在不同的服務器上，或者不同的docker容器里面時，必須保證運行環境的時間一致。
  • 如果設置了定時任務上面的鎖，不是自動釋放的，則運行環境的時間，相差不大于鎖超時時間的時候，也可以保證定時任務，唯一執行。因為在超時時間范圍內，某個應用容器持有該鎖，其他應用來獲取鎖時，同樣獲取不到，方法不會執行。
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