1.引言

作為后端開(kāi)發(fā)，對(duì)于所謂的線程安全、高并發(fā)等一系列名詞肯定都不會(huì)陌生，相關(guān)的一些概念及技術(shù)框架是面試中的寵兒，也是工作中解決一些特定場(chǎng)景下的技術(shù)問(wèn)題的銀彈。今天我們就來(lái)聊聊這些銀彈中的其中一枚——分布式鎖，更確切的說(shuō)是分布式鎖的其中一種輪子：Redisson 的可重入鎖——基于 redis 實(shí)現(xiàn)的分布式鎖。

俗話說(shuō)得好：面試造火箭，工作擰螺絲(手動(dòng)狗頭)。分布式鎖大家應(yīng)該也都不陌生，在解決譬如分布式服務(wù)下庫(kù)存超賣等類似的場(chǎng)景下很常見(jiàn)，大家也應(yīng)該都學(xué)習(xí)和使用過(guò)相關(guān)的框架，或者自己實(shí)現(xiàn)過(guò)類似的分布式鎖。但一個(gè)完備的分布式鎖實(shí)現(xiàn)應(yīng)該考慮哪些問(wèn)題，如何優(yōu)雅且全面的實(shí)現(xiàn)一個(gè)分布式鎖，以及這些實(shí)現(xiàn)背后的原理，這些可能才是我們需要考慮的。就我而言，自己造不了火箭，但學(xué)習(xí)一下火箭是怎么造的還是蠻有意思的，說(shuō)不定哪天螺絲擰多了需要自己造火箭呢。退一步講，火箭造出來(lái)的過(guò)程也是一個(gè)個(gè)螺絲擰出來(lái)的嘛。只要屠龍刀在手，一刀 999，現(xiàn)在能殺雞，將來(lái)也能宰牛, skr skr ~

2.分布式鎖概覽

2.1 鎖是干嘛的？

談到鎖，第一印象就是 Java 本身支持的一些加鎖，不管是是 synchronized 還是并發(fā)包下 Lock 的一些實(shí)現(xiàn)如 ReentrantLock，更甚一些無(wú)鎖機(jī)制譬如并發(fā)包下的一些原子類如 AtomicInteger，都在不同粒度上保證了線程安全。而所謂的線程實(shí)現(xiàn)，歸根到底也就是保證共享區(qū)或者共享變量的安全而已，而聊到線程安全，立馬就能聯(lián)想到三個(gè)特性：

• 原子性

• 可見(jiàn)性

• 有序性

對(duì)于 Java 語(yǔ)言本身的一些保證線程安全的實(shí)現(xiàn)如 synchronized、Lock、原子類更甚至一些在此基礎(chǔ)上的一些線程安全的集合是如何在不同粒度上保證原子性、可見(jiàn)性、有序性的這里就不拆開(kāi)了，也不是本篇要討論的。更為重要的，我們回到共享資源這個(gè)概念，對(duì)于單點(diǎn)下的應(yīng)用，為什么一提到線程安全就是三大特性，為什么這三個(gè)特性可以保證線程安全。我的通俗理解是：

• 對(duì)于共享資源的加鎖或者修改(原子類)是原子的，不可拆分的，那么加鎖或者修改本身就要么成功要么失敗，不會(huì)有中間過(guò)程的誤判

• 而可見(jiàn)性是保證共享資源對(duì)所有線程可見(jiàn)，這個(gè)也沒(méi)什么好解釋的，只有對(duì)共享資源的任何修改都可感知，才不會(huì)在不同線程下決策不同

• 有序性的前提是多線程，單線程下的指令重排不會(huì)改變串行結(jié)果，但多線程下的指令重排下對(duì)共享區(qū)域的修改會(huì)相互干擾，所以保證多線程的有序性也是必須的

加鎖是手段，保證共享資源的安全才是目的，單點(diǎn)下 Java 是通過(guò)原子性、可見(jiàn)性、有序性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.2 分布式鎖需要考慮什么？

前面我們廢話了一堆，可以看出來(lái)鎖的目的：保證共享資源的安全。現(xiàn)在不考慮單點(diǎn)鎖還是分布式鎖：我們考慮兩個(gè)問(wèn)題：

• 共享資源在哪里？

• 是否保證了原子性、有序性、可見(jiàn)性加鎖就一定是完備的

對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，在單點(diǎn)情況下，我們可以共享資源是一個(gè)實(shí)例變量或者是一段對(duì)資源進(jìn)行操作的代碼，這些資源在不同線程下共享，而這里的線程都是在一個(gè) JVM 進(jìn)程中。那么如果是分布式系統(tǒng)呢？舉個(gè)例子：某個(gè)商品的總庫(kù)存、某個(gè)優(yōu)惠券批次的總數(shù)量，這些是共享資源嗎？當(dāng)然是，只是這里共享這些資源的對(duì)象從一個(gè) JVM 進(jìn)程下的多個(gè)線程變成了多個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)下的多個(gè) JVM 進(jìn)程下的多個(gè)線程而已。下面通過(guò)兩張圖我們可以對(duì)比一下：

1.單進(jìn)程下共享資源

2.分布式系統(tǒng)下共享資源

可以看出來(lái)，在單個(gè) JVM 進(jìn)程中，共享資源只是在同一進(jìn)程下的不同線程共享，不管共享資源是實(shí)例變量、代碼段、或者數(shù)據(jù)庫(kù)的資源，所以我們可以通過(guò)單點(diǎn)下的原子性、有序性、可見(jiàn)性來(lái)保證共享資源的安全。

而在分布式系統(tǒng)下，共享資源的范圍就擴(kuò)大到了多臺(tái)機(jī)器下的多個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程中。那么再看一下第二個(gè)問(wèn)題，在分布式系統(tǒng)下原子性、有序性、可見(jiàn)性還管用嗎？或者說(shuō)這三個(gè)特性在分布式系統(tǒng)下還有用嗎？我的理解是：這三個(gè)特性是依然存在的，只是針對(duì)的對(duì)象和范圍發(fā)生了變化。在單點(diǎn)情況下，任何共享資源都共存于同一個(gè) JVM 進(jìn)程中，共享資源狀態(tài)同步的范圍也只是在線程的工作內(nèi)存和主內(nèi)存之間而已，或者說(shuō)共享資源的最終狀態(tài)在主內(nèi)存，而其變化狀態(tài)發(fā)生在單點(diǎn)下的多線程的各自工作內(nèi)存中，這三個(gè)特性所在的容器也只是單個(gè) JVM 進(jìn)程而已。而分布式系統(tǒng)下，共享資源的狀態(tài)同步范圍擴(kuò)大了多臺(tái)機(jī)器各自的進(jìn)程(更細(xì)致一點(diǎn)是各個(gè)進(jìn)程中不同的線程之間)，共享資源的最終狀態(tài)最終一定要依賴于 JVM 進(jìn)程外的第三方，比如數(shù)據(jù)庫(kù)、任意形式的服務(wù)器等等，而共享資源的狀態(tài)變化發(fā)生在多個(gè)進(jìn)程下的多個(gè)線程，因此分布式下的共享資源的安全保證，不僅僅是在線程之間，也在進(jìn)程之間。

2.3 分布式鎖要提供的最基礎(chǔ)的能力

當(dāng)然，前面一段理解可能有點(diǎn)過(guò)于冗繁，也可以說(shuō)：分布式系統(tǒng)下整個(gè)服務(wù)集群是一個(gè)大容器，狀態(tài)的同步范圍在集群服務(wù)所有的線程之間，只是這些線程的交互不再只是通過(guò)單機(jī)的緩存一致性協(xié)議(如 MESI 協(xié)議等)，而是擴(kuò)大到了端到端的通信即網(wǎng)絡(luò)交互，而共享資源的直接宿主也在第三方譬如其他服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)等。那這時(shí)候這三個(gè)特性的范圍如果也相應(yīng)的擴(kuò)大到集群線程之間，那共享資源的安全自然也是能夠保證的。當(dāng)然，這么說(shuō)可能不太嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)槲乙矝](méi)在相關(guān)的資料上看到過(guò)有人在分布式系統(tǒng)之間使用原子性、有序性、可見(jiàn)性來(lái)說(shuō)明分布式系統(tǒng)的多線程安全，這是只是借鑒思想，大家如果感覺(jué)名詞不夠?qū)I(yè)，輕噴。

前面簡(jiǎn)單討論了分布式系統(tǒng)下的共享資源以及保證線程安全的三個(gè)特性，我們考慮一下如何才能在分布式系統(tǒng)這個(gè)大容器下保證這三個(gè)特性，或者說(shuō)如何在分布式系統(tǒng)下加鎖？首先，鎖的共享范圍必然是要和要保護(hù)的資源一致的，在單點(diǎn)下共享資源就在單個(gè) JVM 進(jìn)程中，那么鎖依靠 JVM 中的一些手段也就足夠了，比如 synchronized、Lock、原子類(當(dāng)然這個(gè)是無(wú)鎖的)等。而在分布式系統(tǒng)下，鎖的生存范圍必然是和集群節(jié)點(diǎn)平級(jí)的，要不然各個(gè)節(jié)點(diǎn)各自用自己的鎖，大家對(duì)于對(duì)方的鎖根本不認(rèn)識(shí)也無(wú)法交流那豈不是亂掉了。所以分布式鎖必須獨(dú)立于各個(gè)節(jié)點(diǎn)之外，比如借助 redis、zookeeper 等實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然，本篇我們討論的是 redis 的分布式鎖，但我認(rèn)為前面的思想是通用的，哪怕不用 redis、zookeeper 也可以實(shí)現(xiàn)，只是實(shí)現(xiàn)方式、效率等方面有所差異。即分布式鎖最起碼要實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間共享(這里的共享是指在不同進(jìn)程間是一套，而不是說(shuō)可以同時(shí)持有)，并且能夠保證共享資源的原子性、有序性、可見(jiàn)性。

這里多說(shuō)一點(diǎn)，由于分布式鎖宿主在 JVM 進(jìn)程之間，各個(gè)進(jìn)程加鎖以及同步是通過(guò)端到端的進(jìn)程通信，那么此時(shí)分布式系統(tǒng)下的可見(jiàn)性、有序性是自然滿足的。首先可見(jiàn)性很好理解，因?yàn)楣蚕碣Y源的獲取本身就是服務(wù)與服務(wù)間的通信，可見(jiàn)性的粒度也應(yīng)該在服務(wù)，只要共享資源發(fā)生改變，任何一個(gè)服務(wù)都可以查詢到(不要說(shuō)事務(wù)什么的，我覺(jué)得這里共享資源的狀態(tài)同步應(yīng)該是在事務(wù)的上層來(lái)看)。而有序性也是在分布式鎖的前提下，不同服務(wù)之間對(duì)于共享資源的變更也變成了時(shí)間上是串行的，那么也自然滿足的，當(dāng)然這里會(huì)有性能的犧牲。那么原子性呢？我理解這里的原子性是靠分布式鎖的獲取等來(lái)保證的，只要加鎖、釋放等是原子的，那么鎖所保護(hù)的資源(或操作)對(duì)于同級(jí)的操作就是一個(gè)原子的。

2.4 分布式鎖還要考慮什么？

前面討論了分布式鎖怎么保證共享資源的安全，但是由于分布式鎖宿主在譬如 redis、zookeeper 等中間件中，加鎖、釋放、鎖續(xù)期等也是在進(jìn)程與 redis 之間通信，那么就引出了一些單點(diǎn)加鎖不存在的問(wèn)題：那就是服務(wù)如果宕機(jī)了怎么辦？或者加鎖是有時(shí)間的，如果時(shí)間過(guò)了持有鎖的任務(wù)還沒(méi)有完成怎么辦？這時(shí)候看起來(lái)就像下圖可能出現(xiàn)的情況

出現(xiàn)這些問(wèn)題的原因是雖然我們將分布式系統(tǒng)和鎖的宿主看作一個(gè)大的通信系統(tǒng)，但其卻是離散的，離散的節(jié)點(diǎn)自身可能存活、死亡等，在單個(gè)離散節(jié)點(diǎn)不存在時(shí)，其持有的鎖卻可能仍在另外一個(gè)離散節(jié)點(diǎn)存在(這里指的是依靠 redis 實(shí)現(xiàn)的分布式鎖)，那么對(duì)于其他節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)鎖也就永遠(yuǎn)無(wú)法獲取了。反過(guò)來(lái)，如果持有鎖的離散的服務(wù)節(jié)點(diǎn)對(duì)于共享資源的操作還沒(méi)有完成，Redis 由于鎖的時(shí)間到期而釋放鎖，那么其他的服務(wù)節(jié)點(diǎn)就可以獲取到本不該獲取的鎖了，這時(shí)候共享資源必然是不安全的。而這些在單個(gè)進(jìn)程中的鎖不會(huì)存在，因?yàn)閱芜M(jìn)程下的鎖、線程、資源都在一個(gè)容器即 JVM 進(jìn)程中，JVM 進(jìn)程死掉的話這些也就一起死掉了，自然也不會(huì)存在之前說(shuō)的問(wèn)題。可見(jiàn)，分布式鎖不僅要維護(hù)共享資源的安全，還要維護(hù)鎖自身在不同進(jìn)程下的安全問(wèn)題。

3. redis 分布式鎖的一種實(shí)現(xiàn)—— Redisson 的可重入鎖

3.1 如何使用 Redisson 的分布式鎖

寫(xiě)到這里，我覺(jué)得前面的文字鋪墊的太多了，代碼和圖片太少了，但對(duì)我個(gè)人而言我覺(jué)得會(huì)使用分布式鎖沒(méi)有什么太大的意義，所以我前面還是堅(jiān)持寫(xiě)了一些冗繁的廢話。那么，我們先看一下如何最簡(jiǎn)單的使用 Redisson 的分布式鎖吧，畢竟 Talk is cheap,show me the code !

@Autowired private RedissonClient redisson;private static final String LOCK_PREFIX = "my:lock:";@GetMapping("redis/lock/{seq}") public String lock(@PathVariable String seq) {RLock lock = redisson.getLock(LOCK_PREFIX + seq);try {boolean lockSuccess = lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS);if (lockSuccess) {System.out.println("get lock success");} else {System.out.println("get lock fail");}TimeUnit.SECONDS.sleep(15);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();return seq + " mission dead";} finally {lock.unlock();}return seq + " mission completed"; }@Bean public RedissonClient redissonClient() {Config config = new Config();// 單點(diǎn)模式config.useSingleServer().setAddress("redis://127.0.0.1:6379");// 集群模式/*config.useClusterServers().addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7000").addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7001").addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7002").addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7003").addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7004").addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7005");*/return Redisson.create(config); }

Redisson 實(shí)現(xiàn)的分布式鎖的使用就是這么簡(jiǎn)單，這個(gè)也沒(méi)什么好說(shuō)的，我們公司的不少服務(wù)應(yīng)該也都有過(guò)使用，就我接觸到的有兌換券、優(yōu)惠券等。下面我們就基于這段簡(jiǎn)單的代碼來(lái)理解一下 Redisson 的分布式鎖是如何實(shí)現(xiàn)的。

3.1 RedissonClient：同 redis 通信的組件

public class Redisson implements RedissonClient {static {RedissonObjectFactory.warmUp();RedissonReference.warmUp();}protected final QueueTransferService queueTransferService = new QueueTransferService();protected final EvictionScheduler evictionScheduler;protected final ConnectionManager connectionManager;protected final ConcurrentMap<Class<?>, Class<?>> liveObjectClassCache = PlatformDependent.newConcurrentHashMap();protected final Config config;protected final SemaphorePubSub semaphorePubSub = new SemaphorePubSub();protected final ConcurrentMap<String, ResponseEntry> responses = PlatformDependent.newConcurrentHashMap();protected Redisson(Config config) {this.config = config;Config configCopy = new Config(config);connectionManager = ConfigSupport.createConnectionManager(configCopy);evictionScheduler = new EvictionScheduler(connectionManager.getCommandExecutor());}public EvictionScheduler getEvictionScheduler() {return evictionScheduler;}public CommandExecutor getCommandExecutor() {return connectionManager.getCommandExecutor();}public ConnectionManager getConnectionManager() {return connectionManager;}/*** Create sync/async Redisson instance with default config** @return Redisson instance*/public static RedissonClient create() {Config config = new Config();config.useSingleServer().setTimeout(1000000).setAddress("redis://127.0.0.1:6379"); // config.useMasterSlaveConnection().setMasterAddress("127.0.0.1:6379").addSlaveAddress("127.0.0.1:6389").addSlaveAddress("127.0.0.1:6399"); // config.useSentinelConnection().setMasterName("mymaster").addSentinelAddress("127.0.0.1:26389", "127.0.0.1:26379"); // config.useClusterServers().addNodeAddress("127.0.0.1:7000");return create(config);}/*** Create sync/async Redisson instance with provided config** @param config for Redisson* @return Redisson instance*/public static RedissonClient create(Config config) {Redisson redisson = new Redisson(config);if (config.isReferenceEnabled()) {redisson.enableRedissonReferenceSupport();}return redisson;}@Overridepublic RLock getLock(String name) {return new RedissonLock(connectionManager.getCommandExecutor(), name);}// 省略巴拉巴拉 }

不得不說(shuō)，這段代碼復(fù)制粘貼的是有點(diǎn)臭長(zhǎng)啊，畢竟 CV 工程師，哈哈。總結(jié)起來(lái)就是一句話：Redisson 類是 RedissonClient 的實(shí)現(xiàn)，封裝了一些配置、同 redis 的連接管理、一些定時(shí)任務(wù)、發(fā)布訂閱組件等，另外提供一些獲取 Redisson 基于 Redis 實(shí)現(xiàn)的分布式鎖、分布式集合、分布式信號(hào)量等接口方法，比如我們的分布式鎖-可重入鎖。

public RLock getLock(String name) {return new RedissonLock(connectionManager.getCommandExecutor(), name); }

而這里實(shí)際上我們獲取到的只是 Redisson 封裝好的對(duì)分布式鎖的抽象的對(duì)象而已，并不是真正的就執(zhí)行加鎖操作了。而加鎖、釋放鎖等就是基于 Redisson 的鎖接口 RLock 來(lái)做的，而本文討論的可重入鎖則 RedissonLock 是其中一種實(shí)現(xiàn)。

3.2 RedissonLock 是如何加鎖的

下面我們就以 demo 的代碼為入口看一下 RedissonLock 是如何加鎖的:

@Override public boolean tryLock(long waitTime, TimeUnit unit) throws InterruptedException {return tryLock(waitTime, -1, unit); }

通過(guò) demo 中使用的 tryLock(long waitTime, TimeUnit unit) 我們可以看出來(lái)，真正調(diào)用的是下面這個(gè)方法：

@Override public boolean tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit) throws InterruptedException {long time = unit.toMillis(waitTime);long current = System.currentTimeMillis();long threadId = Thread.currentThread().getId();Long ttl = tryAcquire(waitTime, leaseTime, unit, threadId);// 加鎖成功 返回null 否則返回的是該鎖將要過(guò)期的剩余時(shí)間// lock acquiredif (ttl == null) {return true;}time -= System.currentTimeMillis() - current;// 未獲取到鎖，且第一次嘗試獲取鎖花費(fèi)時(shí)間超過(guò)了預(yù)設(shè)等待時(shí)間，則獲取鎖失敗，不再等待if (time <= 0) {acquireFailed(waitTime, unit, threadId);return false;}current = System.currentTimeMillis();RFuture<RedissonLockEntry> subscribeFuture = subscribe(threadId);if (!subscribeFuture.await(time, TimeUnit.MILLISECONDS)) {if (!subscribeFuture.cancel(false)) {subscribeFuture.onComplete((res, e) -> {if (e == null) {unsubscribe(subscribeFuture, threadId);}});}acquireFailed(waitTime, unit, threadId);return false;}try {time -= System.currentTimeMillis() - current;if (time <= 0) {acquireFailed(waitTime, unit, threadId);return false;}while (true) {long currentTime = System.currentTimeMillis();ttl = tryAcquire(waitTime, leaseTime, unit, threadId);// lock acquiredif (ttl == null) {return true;}time -= System.currentTimeMillis() - currentTime;if (time <= 0) {acquireFailed(waitTime, unit, threadId);return false;}// waiting for messagecurrentTime = System.currentTimeMillis();if (ttl >= 0 && ttl < time) {subscribeFuture.getNow().getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);} else {subscribeFuture.getNow().getLatch().tryAcquire(time, TimeUnit.MILLISECONDS);}time -= System.currentTimeMillis() - currentTime;if (time <= 0) {acquireFailed(waitTime, unit, threadId);return false;}}} finally {unsubscribe(subscribeFuture, threadId);} // return get(tryLockAsync(waitTime, leaseTime, unit)); }

而關(guān)于這段代碼呢，我們先忽略其他邏輯，重點(diǎn)看這一行：

Long ttl = tryAcquire(leaseTime, unit, threadId);

這一行第一次嘗試加鎖，接著往下看：

private Long tryAcquire(long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId) {return get(tryAcquireAsync(leaseTime, unit, threadId)); }private <T> RFuture<Long> tryAcquireAsync(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId) {// 如果自己設(shè)置了鎖釋放時(shí)間，則獲取鎖后直接返回，且不會(huì)設(shè)置定時(shí)刷新的邏輯（上層方法沒(méi)有設(shè)置定時(shí)任務(wù)），則獲取到鎖后超過(guò)設(shè)定的事件后自動(dòng)釋放// 或者在設(shè)定時(shí)間內(nèi)手動(dòng)調(diào)用釋放鎖if (leaseTime != -1) {return tryLockInnerAsync(waitTime, leaseTime, unit, threadId, RedisCommands.EVAL_LONG);}RFuture<Long> ttlRemainingFuture = tryLockInnerAsync(waitTime, internalLockLeaseTime,TimeUnit.MILLISECONDS, threadId, RedisCommands.EVAL_LONG);ttlRemainingFuture.onComplete((ttlRemaining, e) -> {// 未獲取到鎖if (e != null) {return;}// 獲取到鎖，開(kāi)啟自動(dòng)延期鎖的定時(shí)任務(wù)// lock acquiredif (ttlRemaining == null) {scheduleExpirationRenewal(threadId);}});return ttlRemainingFuture; }

可以看出來(lái)對(duì)于 leaseTime != -1 的判斷會(huì)走兩種方式：真正的加鎖是通過(guò) tryLockInnerAsync(long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId, RedisStrictCommand<T> command) 這個(gè)方法來(lái)做的，而當(dāng) leaseTime != -1 時(shí)，直接返回加鎖結(jié)果了，而當(dāng) leaseTime = -1 時(shí)，在返回加鎖結(jié)果之前，會(huì)監(jiān)聽(tīng)加鎖的結(jié)果：如果加鎖成功了還會(huì)開(kāi)啟一個(gè)自動(dòng)延期鎖的定時(shí)任務(wù)。而這個(gè) leaseTime 指的就是加鎖成功后鎖的默認(rèn)持有時(shí)間。當(dāng)我們不指定 leaseTime 時(shí)，默認(rèn)的鎖持有時(shí)間是 30 秒(這個(gè)時(shí)間叫作看門狗 - lockWatchdogTimeout),并且每 10 秒(30/3)去確認(rèn)一下鎖的狀態(tài)：如果鎖仍未被釋放，則重新設(shè)置鎖的過(guò)期時(shí)間為 30 秒（當(dāng)然，持有鎖的服務(wù)宕機(jī)后在 30 秒后鎖會(huì)自動(dòng)釋放，這個(gè)我們后面再說(shuō)）。而當(dāng)我們指定 leaseTime 時(shí)，我們可以看出來(lái)前面的代碼不會(huì)走到定時(shí)續(xù)期鎖的邏輯，這時(shí)表示：成功獲取到鎖后，在 leaseTime 后，如果鎖仍沒(méi)有被服務(wù)主動(dòng)釋放，鎖將自動(dòng)過(guò)期，而不會(huì)管持有鎖的線程有沒(méi)有完成對(duì)應(yīng)的操作，相當(dāng)于在持有所得服務(wù)執(zhí)行了比較耗時(shí)的任務(wù)且未完成時(shí)，這時(shí)鎖已經(jīng)被釋放，這時(shí)候自然也是不安全的。上面兩段代碼的流程如下：

從前面的流程圖我們可以看出，RedissonLock.tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit) 是對(duì)于 waitTime, leaseTime 入?yún)?huì)產(chǎn)生不同的行為，這也是 RedissonLock 嘗試加鎖相對(duì)最完整的一個(gè)鏈路，其他方法譬如我們直接使用的 tryLock(long waitTime, TimeUnit unit) 也只是復(fù)用了其中一個(gè)邏輯分支。

3.3 RedissonLock分布式鎖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與加鎖原理

前面一小節(jié)我們看到了 RedissonLock 完整的加鎖鏈路，那么分布式鎖在 Redis 是如何實(shí)現(xiàn)的呢？怎么判斷加鎖失敗以及鎖的剩余時(shí)間呢？現(xiàn)在我們就來(lái)看看這個(gè)。

if (leaseTime != -1) {return tryLockInnerAsync(waitTime, leaseTime, unit, threadId, RedisCommands.EVAL_LONG);}RFuture<Long> ttlRemainingFuture = tryLockInnerAsync(waitTime, internalLockLeaseTime,TimeUnit.MILLISECONDS, threadId, RedisCommands.EVAL_LONG); // 巴拉巴拉 }

通過(guò)前面的代碼我們可以看出來(lái)真正執(zhí)行加鎖以及返回加鎖結(jié)果是調(diào)用了下面的方法:

<T> RFuture<T> tryLockInnerAsync(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId, RedisStrictCommand<T> command) {internalLockLeaseTime = unit.toMillis(leaseTime);// 鎖不存在，加鎖成功，設(shè)置hash數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)鎖: 鎖名 -> 加鎖線程:id -> 加鎖次數(shù)(1)// 鎖存在且是本線程的鎖 加鎖次數(shù)增加：鎖名 -> 加鎖線程:id -> 加鎖次數(shù)+1// 鎖存在且不是本線程的鎖 加鎖失敗 返回鎖剩余過(guò)期時(shí)間return evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, command,"if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then " +"redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1); " +"redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +"return nil; " +"end; " +"if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then " +"redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1); " +"redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +"return nil; " +"end; " +"return redis.call('pttl', KEYS[1]);",Collections.singletonList(getName()), internalLockLeaseTime, getLockName(threadId)); }

到了這里，我們才能看到 RedissonLock 的加鎖(僅僅指執(zhí)行加鎖這一動(dòng)作)以及鎖在 Redis 中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的廬山真面目:可以看出來(lái)上面是執(zhí)行了一段 lua 腳本，這段 lua 腳 本是會(huì)涉及到多個(gè)判斷以及數(shù)據(jù)修改的，這個(gè)時(shí)候就可以回到我們說(shuō)的關(guān)于加鎖的原子性問(wèn)題了。先不看這段加鎖的邏輯，只考慮加鎖過(guò)程涉及到多個(gè)判斷以及操作時(shí)，那么那些動(dòng)作必須是原子的，要么同時(shí)成功要么同時(shí)失敗，而 RedissonLock 實(shí)現(xiàn)加鎖過(guò)程的原子性就是借助了 lua 腳本(鎖延期等也會(huì)使用 lua 腳本)。那么我們看一下這段 lua 腳本的含義吧：結(jié)合注釋，Redisson 實(shí)現(xiàn)的可重入鎖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使用了 Redis中 的 hash 對(duì)象數(shù)據(jù)類型來(lái)實(shí)現(xiàn)，其在 Redis 中大概長(zhǎng)這個(gè)樣子：

從上面這張圖我們可以看出來(lái) Redisson 的分布式鎖在 Redis 中的 hash 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：{鎖名}:{uuid:threadId}:{count}，另外對(duì)于已經(jīng)存在的健值對(duì)初始化過(guò)期時(shí)間為 30 秒。結(jié)合前面的加鎖流程圖，我們就可以看出來(lái) Redisson 分布式鎖是如何實(shí)現(xiàn)加鎖的原子性，以下操作是一個(gè)原子操作：

• 某一個(gè)節(jié)點(diǎn)下的線程加鎖首先判斷該線程對(duì)于的 hash 鍵是否存在

• 若不存在(鎖未被持有)，則將鎖的鍵設(shè)置為線程 id 對(duì)應(yīng)的唯一標(biāo)識(shí)，值為 1 (第一次加鎖),返回空表示加鎖成功

• 鎖存在且對(duì)應(yīng)的是本線程，說(shuō)明之前加鎖的線程為同一個(gè)，則將 hash 值 1 (加鎖次數(shù)，可重入)，另外將該鎖對(duì)應(yīng)的存活時(shí)間重新設(shè)置，返回空表示加鎖成功

• 鎖存在但鍵對(duì)應(yīng)的不是當(dāng)前線程，說(shuō)明持有鎖的是其他線程，返回鎖剩余的過(guò)期時(shí)間表示加鎖失敗

到這里，Redisson 的分布式鎖加鎖的流程以及鎖在 Redis 中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)清楚了，這時(shí)候我們可以對(duì)比一下 Java 自身實(shí)現(xiàn)的可重入鎖 ReentrantLock。對(duì)于 ReentrantLock，甚至更多的線程安全組件如 Semaphore、CountDownLatch 等，其底層的實(shí)現(xiàn)都依賴于 AQS(AbstractQueuedSynchronizer),而 AQS 本身是一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列中的節(jié)點(diǎn) Node 同樣也是封裝了線程的對(duì)象，只是 AQS 是本地單節(jié)點(diǎn)的，Redis 卻是分布式的可以被任何 JVM 共享。另外 AQS 中還封裝了一個(gè) int 類型的狀態(tài)變量 state：

/*** The synchronization state.*/ private volatile int state;

當(dāng)涉及到具體的實(shí)現(xiàn)時(shí)，state 有不同的含義，對(duì) ReentrantLock 來(lái)說(shuō) state 就是可重入鎖的加鎖次數(shù)，對(duì) Semaphore 來(lái)說(shuō) state 就是信號(hào)量，對(duì) CountDownLatch 來(lái)說(shuō)就是計(jì)數(shù)量。可以看出來(lái), Java 的 AQS 一些抽象和 Redisson 實(shí)現(xiàn)的分布式鎖是可以類比的，比如 thread 標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)的封裝，加鎖次數(shù)等。只是 AQS 的實(shí)現(xiàn)原子操作一般是基于原子類的 CAS，而 Redisson 實(shí)現(xiàn)原子操作是基于 Redis 的 lua 腳本。另外 AQS 實(shí)現(xiàn)隊(duì)列節(jié)點(diǎn)狀態(tài)同步是基于隊(duì)列本身可以遍歷的特性以及節(jié)點(diǎn)中的幾種狀態(tài)(這里不再贅述)，而 Redisson 不同線程之間阻塞同步是基于發(fā)布訂閱(后面會(huì)提到)。可以得出：本地鎖和分布式鎖很多概念和思想是相似的，甚至其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及目標(biāo)都是可類比的，只是分布式鎖對(duì)本地鎖的對(duì)象、范圍、通信方式基于服務(wù)之間通信進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。關(guān)于 AQS 的原理這里不再展開(kāi)，大家可以參考 JDK 的源碼。

3.3 鎖的自動(dòng)續(xù)期

前面我們從 Redisson 加鎖為入口，分析了加鎖的整體流程并詳細(xì)看了加鎖時(shí)的細(xì)節(jié)以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在我們看一下 Redisson 分布式鎖是如何自動(dòng)續(xù)期的。前面我們已經(jīng)提到了當(dāng)?shù)谝淮渭渔i成功時(shí)會(huì)開(kāi)啟自動(dòng)續(xù)期的定時(shí)任務(wù)，對(duì)于的代碼入口即為:

// 獲取到鎖，開(kāi)啟自動(dòng)延期鎖的定時(shí)任務(wù)// lock acquiredif (ttlRemaining == null) {scheduleExpirationRenewal(threadId);}

繼續(xù)往下看，進(jìn)入如下代碼:

private void scheduleExpirationRenewal(long threadId) {ExpirationEntry entry = new ExpirationEntry();ExpirationEntry oldEntry = EXPIRATION_RENEWAL_MAP.putIfAbsent(getEntryName(), entry);if (oldEntry != null) {// 表示不是第一次加鎖 則加鎖次數(shù)加 1 不會(huì)再開(kāi)啟續(xù)期鎖 因?yàn)榈谝淮渭渔i時(shí)調(diào)用 scheduleExpirationRenewal(long threadId) 會(huì)進(jìn)入// else 會(huì)開(kāi)啟 renewExpiration()oldEntry.addThreadId(threadId);} else {// 在加鎖時(shí)第一次調(diào)用 開(kāi)啟自動(dòng)續(xù)期(定時(shí)重設(shè)鎖的過(guò)期時(shí)間)entry.addThreadId(threadId);renewExpiration();} }

ExpirationEntry 封裝了定時(shí)任務(wù)對(duì)應(yīng)的線程對(duì)象，結(jié)合注釋這一段也不必展開(kāi)，我們繼續(xù)往下看真正開(kāi)啟續(xù)期的方法 renewExpiration()：

private void renewExpiration() {ExpirationEntry ee = EXPIRATION_RENEWAL_MAP.get(getEntryName());// 鎖已經(jīng)不存在了直接返回if (ee == null) {return;}Timeout task = commandExecutor.getConnectionManager().newTimeout(new TimerTask() {@Overridepublic void run(Timeout timeout) throws Exception {ExpirationEntry ent = EXPIRATION_RENEWAL_MAP.get(getEntryName());if (ent == null) {return;}Long threadId = ent.getFirstThreadId();if (threadId == null) {return;}RFuture<Boolean> future = renewExpirationAsync(threadId);// 這里監(jiān)聽(tīng)續(xù)期 成功后遞歸調(diào)用(十秒后再次重復(fù))future.onComplete((res, e) -> {if (e != null) {log.error("Can't update lock " + getName() + " expiration", e);EXPIRATION_RENEWAL_MAP.remove(getEntryName());return;}if (res) {// reschedule itselfrenewExpiration();}});}// 10 秒續(xù)期一次(如果還持有鎖) 30000/3}, internalLockLeaseTime / 3, TimeUnit.MILLISECONDS);ee.setTimeout(task); }

可以看出來(lái)鎖自動(dòng)續(xù)期的流程為：

若鎖已經(jīng)不存在了(比如手動(dòng)釋放了鎖)，直接返回

若鎖仍存在，調(diào)用 Redis 異步設(shè)置鎖的過(guò)期時(shí)間 renewExpirationAsync(threadId),同時(shí)監(jiān)聽(tīng)續(xù)期結(jié)果

若續(xù)期成功，則遞歸調(diào)用 renewExpiration()，否則異常返回

以上過(guò)程每 10 秒重復(fù)一次 (internalLockLeaseTime / 3)

然后我們看一下調(diào)用 Redis 對(duì)鎖進(jìn)行續(xù)期的過(guò)程:

protected RFuture<Boolean> renewExpirationAsync(long threadId) {// 當(dāng)前線程持有的鎖還存在 重新設(shè)置鎖的過(guò)期時(shí)間(默認(rèn) 30 秒)// 否則失敗return evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, RedisCommands.EVAL_BOOLEAN,"if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then " +"redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +"return 1; " +"end; " +"return 0;",Collections.singletonList(getName()),internalLockLeaseTime, getLockName(threadId)); }

這里同樣使用 lua 腳本來(lái)執(zhí)行了一段原子操作:

• 判斷當(dāng)前線程對(duì)應(yīng)的鎖是否存在，若存在則重新設(shè)置鎖的過(guò)期時(shí)間(默認(rèn)為 30 秒)，返回 true

• 否則返回 false

3.4 鎖的手動(dòng)釋放

至此，Redisson 的加鎖、自動(dòng)續(xù)期我們已經(jīng)討論過(guò)了，現(xiàn)在看一下鎖的手動(dòng)釋放， 其入口為:

public void unlock() {try {get(unlockAsync(Thread.currentThread().getId()));} catch (RedisException e) {if (e.getCause() instanceof IllegalMonitorStateException) {throw (IllegalMonitorStateException)e.getCause();} else {throw e;}}}

接著看底層實(shí)現(xiàn) unlockAsync(final long threadId):

public RFuture<Void> unlockAsync(long threadId) {RPromise<Void> result = new RedissonPromise<Void>();// 釋放鎖RFuture<Boolean> future = unlockInnerAsync(threadId);// 監(jiān)聽(tīng)釋放鎖結(jié)果future.onComplete((opStatus, e) -> {// 取消自動(dòng)續(xù)期cancelExpirationRenewal(threadId);if (e != null) {result.tryFailure(e);return;}if (opStatus == null) {IllegalMonitorStateException cause = new IllegalMonitorStateException("attempt to unlock lock, not locked by current thread by node id: "+ id + " thread-id: " + threadId);result.tryFailure(cause);return;}result.trySuccess(null);});return result; }

可以看出來(lái)，釋放鎖會(huì)執(zhí)行以下操作：

• 調(diào)用 Redis 釋放鎖

• 監(jiān)聽(tīng)釋放鎖結(jié)果，取消自動(dòng)續(xù)期

然后看一下真正釋放鎖的操作:

protected RFuture<Boolean> unlockInnerAsync(long threadId) {// 若鎖不存在 返回// 若鎖存在 加鎖次數(shù) -1// 若加鎖次數(shù)仍不等于 0 (可重入)，重新設(shè)置鎖的過(guò)期時(shí)間，返回// 若加鎖次數(shù)減為 0，刪除鎖，同步發(fā)布釋放鎖事件，返回return evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, RedisCommands.EVAL_BOOLEAN,"if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[3]) == 0) then " +"return nil;" +"end; " +"local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[3], -1); " +"if (counter > 0) then " +"redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]); " +"return 0; " +"else " +"redis.call('del', KEYS[1]); " +"redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); " +"return 1; " +"end; " +"return nil;",Arrays.asList(getName(), getChannelName()), LockPubSub.UNLOCK_MESSAGE, internalLockLeaseTime, getLockName(threadId)); }

上面這段 lua 腳本的含義基本與注釋一致，這里不再贅述。至此，鎖會(huì)被原子性的釋放。

3.5 加鎖等待

討論了加鎖成功、鎖自動(dòng)續(xù)期、鎖釋放后，我們?cè)賮?lái)看一下加鎖等待。前面加鎖的代碼中，我們可以看到，若制定了加鎖的等待時(shí)間 waitTime 時(shí)，若鎖已經(jīng)被占有，加鎖會(huì)失敗并返回鎖剩余的過(guò)期時(shí)間，然后循環(huán)嘗試加鎖，對(duì)應(yīng)以下代碼:

current = System.currentTimeMillis();RFuture<RedissonLockEntry> subscribeFuture = subscribe(threadId);if (!subscribeFuture.await(time, TimeUnit.MILLISECONDS)) {if (!subscribeFuture.cancel(false)) {subscribeFuture.onComplete((res, e) -> {if (e == null) {unsubscribe(subscribeFuture, threadId);}});}acquireFailed(waitTime, unit, threadId);return false;}try {time -= System.currentTimeMillis() - current;if (time <= 0) {acquireFailed(waitTime, unit, threadId);return false;}// 等待鎖釋放 循環(huán)獲取鎖while (true) {long currentTime = System.currentTimeMillis();ttl = tryAcquire(waitTime, leaseTime, unit, threadId);// lock acquiredif (ttl == null) {return true;}time -= System.currentTimeMillis() - currentTime;if (time <= 0) {acquireFailed(waitTime, unit, threadId);return false;}// waiting for messagecurrentTime = System.currentTimeMillis();if (ttl >= 0 && ttl < time) {subscribeFuture.getNow().getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);} else {subscribeFuture.getNow().getLatch().tryAcquire(time, TimeUnit.MILLISECONDS);}time -= System.currentTimeMillis() - currentTime;if (time <= 0) {acquireFailed(waitTime, unit, threadId);return false;}}} finally {unsubscribe(subscribeFuture, threadId);}

在上面的 while 循環(huán)中，我們可以看出來(lái)，每次循環(huán)都會(huì)調(diào)用

ttl = tryAcquire(waitTime, leaseTime, unit, threadId);

這里就回到了我們之前分析的加鎖流程，不再贅述。整個(gè)加鎖等待流程如下：

• 如果加鎖成功，返回成功

• 加鎖失敗，基于發(fā)布訂閱(基于 Semaphore )阻塞，收到鎖釋放消息后繼續(xù)循環(huán)，再次嘗試加鎖

• 如果整個(gè)加鎖嘗試時(shí)間超過(guò)了 waitTime 后仍然未搶到鎖，返回加鎖失敗

4.總結(jié)

至此，Redisson 基于 Redis 實(shí)現(xiàn)的分布式鎖的可重入鎖 RedissonLock 的大致原理就分析完了。我們分析了分布式系統(tǒng)下保證共享資源安全的一些必要特性，然后針對(duì) Redisson 實(shí)現(xiàn)的可重入鎖的加鎖、自動(dòng)續(xù)期、鎖釋放、鎖等待的代碼進(jìn)行了分析，整個(gè)過(guò)程有所簡(jiǎn)略，只關(guān)注了整體流程。更為細(xì)節(jié)的內(nèi)容如如何和 Redis 進(jìn)行通信、配置管理覆蓋、發(fā)布訂閱如何實(shí)現(xiàn)，感興趣的話大家可以自己探索一下。

全文完

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的年轻人，看看Redisson分布式锁—可重入锁吧！太重要了的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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