如何設計高性能的分布式鎖

什么是分布式鎖？

在 JVM 中，在多線程並發的情況下，我們可以使用同步鎖或 Lock 鎖，保證在同一時間內，只能有一個線程修改共享變量或執行代碼塊。但現在我們的服務都是基於分布式集群來實現部署的，對於一些共享資源，在分布式環境下使用 Java 鎖的方式就失去作用了。

使用數據庫實現一個分布式鎖比較簡單易懂，直接基於數據庫實現就行了，不需要再引入第三方中間件，所以這是很多分布式業務實現分布式鎖的首選。但是數據庫實現的分布式鎖在一定程度上，存在性能瓶頸，所以我推薦使用Redis。

Redis 實現分布式鎖

Redis 實現分布式鎖的方式，是使用 SETNX+EXPIRE 組合來實現，在 Redis 2.6.12 版本之前，具體實現代碼如下：

public static boolean tryLock(Jedis jedis, String lockKey, String requestId, int expireTime) {

    Long result = jedis.setnx(lockKey, requestId);//設置鎖
    if (result == 1) {//獲取鎖成功
        // 若在這里程序突然崩潰，則無法設置過期時間，將發生死鎖
        jedis.expire(lockKey, expireTime);//通過過期時間刪除鎖
        return true;
    }
    return false;
}

 

 

這種方式實現的分布式鎖，是通過 setnx() 方法設置鎖，如果 lockKey 存在，則返回失敗，否則返回成功。設置成功之后，為了能在完成同步代碼之后成功釋放鎖，方法中還需要使用 expire() 方法給 lockKey 值設置一個過期時間，確認 key 值刪除，避免出現鎖無法釋放，導致下一個線程無法獲取到鎖，即死鎖問題。

​ 如果程序在設置過期時間之前、設置鎖之后出現崩潰，此時如果 lockKey 沒有設置過期時間，將會出現死鎖問題。

在 Redis 2.6.12 版本后 SETNX 增加了過期時間參數：

private static final String LOCK_SUCCESS = "OK";
    private static final String SET_IF_NOT_EXIST = "NX";
    private static final String SET_WITH_EXPIRE_TIME = "PX";

    /**
     * 嘗試獲取分布式鎖
     * @param jedis Redis客戶端
     * @param lockKey 鎖
     * @param requestId 請求標識
     * @param expireTime 超期時間
     * @return 是否獲取成功
     */
    public static boolean tryLock(Jedis jedis, String lockKey, String requestId, int expireTime) {

        String result = jedis.set(lockKey, requestId, SET_IF_NOT_EXIST, SET_WITH_EXPIRE_TIME, expireTime);

        if (LOCK_SUCCESS.equals(result)) {
            return true;
        }
        return false;

    }

我們也可以通過 Lua 腳本來實現鎖的設置和過期時間的原子性，再通過 jedis.eval() 方法運行該腳本：

// 加鎖腳本
private static final String SCRIPT_LOCK = "if redis.call('setnx', KEYS[1], ARGV[1]) == 1 then redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]) return 1 else return 0 end";

// 解鎖腳本
private static final String SCRIPT_UNLOCK = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";

雖然 SETNX 方法保證了設置鎖和過期時間的原子性，但如果我們設置的過期時間比較短，而執行業務時間比較長，就會存在鎖代碼塊失效的問題。我們需要將過期時間設置得足夠長，來保證以上問題不會出現。

​ 這個方案是目前最優的分布式鎖方案，但如果是在 Redis 集群環境下，依然存在問題。由於 Redis 集群數據同步到各個節點時是異步的，如果在 Master 節點獲取到鎖后，在沒有同步到其它節點時，Master 節點崩潰了，此時新的 Master 節點依然可以獲取鎖，所以多個應用服務可以同時獲取到鎖。

Redlock 算法

​ Redisson 由 Redis 官方推出。它不僅提供了一系列的分布式的 Java 常用對象，還提供了許多分布式服務。Redisson 是基於 netty 通信框架實現的，所以支持非阻塞通信，性能相對於我們熟悉的 Jedis 會好一些。

​ Redisson 中實現了 Redis 分布式鎖，且支持單點模式和集群模式。在集群模式下，Redisson 使用了 Redlock 算法，避免在 Master 節點崩潰切換到另外一個 Master 時，多個應用同時獲得鎖。我們可以通過一個應用服務獲取分布式鎖的流程，了解下 Redlock 算法的實現：

​ 具體的代碼實現如下：

1. 首先引入 jar 包：

   <dependency>
        <groupId>org.redisson</groupId>
        <artifactId>redisson</artifactId>
        <version>3.8.2</version>
   </dependency>

    

2. 實現 Redisson 的配置文件：

   @Bean
   public RedissonClient redissonClient() {
      Config config = new Config();
      config.useClusterServers()
              .setScanInterval(2000) // 集群狀態掃描間隔時間，單位是毫秒
              .addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7000).setPassword("1")
              .addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7001").setPassword("1")
              .addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7002")
              .setPassword("1");
      return Redisson.create(config);
   }

    

3. 獲取鎖操作：

   long waitTimeout = 10;
   long leaseTime = 1;
   RLock lock1 = redissonClient1.getLock("lock1");
   RLock lock2 = redissonClient2.getLock("lock2");
   RLock lock3 = redissonClient3.getLock("lock3");
   
   RedissonRedLock redLock = new RedissonRedLock(lock1, lock2, lock3);
   // 同時加鎖：lock1 lock2 lock3
   // 紅鎖在大部分節點上加鎖成功就算成功，且設置總超時時間以及單個節點超時時間
   redLock.trylock(waitTimeout,leaseTime,TimeUnit.SECONDS);
   ...
   redLock.unlock(); 

擴展閱讀：

Redis的三個框架：Jedis,Redisson,Lettuce

Jedis 地址：https://github.com/xetorthio/jedis，是Redis的Java實現客戶端，提供了比較全面的Redis命令的支持。SpringBoot1.x系列中默認采用的是jedis。

Redisson 官網地址：https://redisson.org/，實現了分布式和可擴展的Java數據結構。

Lettuce 官網地址：https://lettuce.io/，高級Redis客戶端，用於線程安全同步，異步和響應使用，支持集群，Sentinel，管道和編碼器。SpringBoot2.x系列中拋棄了原有的jedis，默認采用lettuce。