隨著現(xiàn)在分布式架構越來越盛行，在很多場景下需要使用到分布式鎖。很多小伙伴對于分布式鎖還不是特別了解，所以特地總結了一篇文章，讓大家一文讀懂分布式鎖的前世今生。
分布式鎖的實現(xiàn)有很多種，比如基于數(shù)據(jù)庫、Redis 、 zookeeper 等實現(xiàn)，本文的示例主要介紹使用Redis實現(xiàn)分布式鎖。
一、什么是分布式鎖
分布式鎖，即分布式系統(tǒng)中的鎖，分布式鎖是控制分布式系統(tǒng)有序地對共享資源進行操作，在單體應用中我們通過鎖實現(xiàn)共享資源訪問，而分布式鎖，就是解決了分布式系統(tǒng)中控制共享資源訪問的問題。
可能初學的小伙伴就會有疑問，Java多線程中的公平鎖、非公平鎖、自旋鎖、可重入鎖、讀寫鎖、互斥鎖這些都還沒鬧明白呢？怎么有出來一個分布式鎖？
其實，可以這么理解：Java的原生鎖是解決多線程下對于共享資源的操作，而分布式鎖則是多進程下對于共享資源的操作。分布式系統(tǒng)中競爭共享資源的最小粒度從線程升級成了進程。
分布式鎖已經(jīng)被應用到各種高并發(fā)的場景下，典型場景案例包括：秒殺、車票、訂單、退款、庫存等場景。
二、為什么要使用分布式鎖
在分布式系統(tǒng)中，常常需要協(xié)調他們的動作。如果不同的系統(tǒng)或是同一個系統(tǒng)的不同主機之間共享了一個或一組資源，那么訪問這些資源的時候，往往需要互斥來防止彼此干擾來保證一致性，這個時候，便需要使用到分布式鎖。
目前幾乎很多大型網(wǎng)站及應用都是分布式部署的，如何保證分布式場景中的數(shù)據(jù)一致性問題一直是一個比較重要的話題。在某些場景下，為了保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性，我們需要保證一個方法在同一時間內只能被同一個線程執(zhí)行，這就需要使用分布式鎖。
如上圖所示，假設用戶A和用戶B同時購買了某款商品，訂單創(chuàng)建成功后，下單系統(tǒng)A和下單系統(tǒng)B就會同時對數(shù)據(jù)庫中的該款商品的庫存進行扣減。如果此時不加任何控制，系統(tǒng)B提交的數(shù)據(jù)更新就會覆蓋系統(tǒng)A的數(shù)據(jù)，導致庫存錯誤，超賣等問題。
三、分布式鎖應該具備哪些條件
在介紹分布式鎖的實現(xiàn)方式之前，先了解一下分布式鎖應該具備哪些條件：
1、在分布式系統(tǒng)環(huán)境下，一個方法在同一時間只能被一個機器的一個線程執(zhí)行；
2、高可用的獲取鎖與釋放鎖；
3、高性能的獲取鎖與釋放鎖；
4、具備可重入特性；
5、具備鎖失效機制，防止死鎖；
6、具備非阻塞鎖特性，即沒有獲取到鎖將直接返回獲取鎖失敗。
四、分布式鎖的實現(xiàn)方式
隨著業(yè)務發(fā)展的需要，原來的單體應用被演化成分布式集群系統(tǒng)后，由于系統(tǒng)分布在不同機器上，這就使得原有的并發(fā)控制鎖策略失效，為了解決這個問題就需要一種跨進程的互斥機制來控制共享資源的訪問，這就需要用到分布式鎖！
分布式鎖的實現(xiàn)有多種方式，下面介紹下這幾種分布式鎖的實現(xiàn)方式：
- 基于數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)分布式鎖，(適用于并發(fā)小的系統(tǒng))；
- 基于緩存（Redis等）實現(xiàn)分布式鎖，（效率高，最流行，存在鎖超時的問題）；
- 基于Zookeeper實現(xiàn)分布式鎖，（可靠，但是效率不高）；
盡管有這三種方案，但是不同的業(yè)務也要根據(jù)自己的情況進行選型，他們之間沒有最好只有更適合！
五、基于Redis實現(xiàn)分布式鎖
使用Redis實現(xiàn)分布式鎖是目前比較流行的解決方案，主要是使用Redis 獲取鎖與釋放鎖效率都很高，實現(xiàn)方式也特別簡單。
實現(xiàn)原理：
（1）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值為當前線程ID，通過此在釋放鎖的時候進行判斷。
（2）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。
（3）釋放鎖的時候，通過線程ID判斷是不是該鎖，若是該鎖，則執(zhí)行delete進行鎖釋放。
接下來我們就一步一步實現(xiàn)Redis 分布式鎖。
第一步，創(chuàng)建Spring Boot項目，并引入相關依賴。
org.springframework.boot spring-boot-starter-web org.springframework.boot spring-boot-starter-data-redis org.springframework.boot spring-boot-starter org.springframework.boot spring-boot-starter-test test org.apache.commons commons-lang3 com.alibaba fastjson 1.2.72 org.projectlombok lombok
第二步，創(chuàng)建Redis分布式鎖通用操作類，示例代碼如下：
import com.alibaba.fastjson.JSON;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import org.apache.commons.lang3.StringUtils;import org.springframework.context.annotation.Bean;import org.springframework.data.redis.core.RedisTemplate;import org.springframework.data.redis.core.script.DefaultRedisScript;import org.springframework.scheduling.annotation.Async;import org.springframework.scheduling.annotation.Scheduled;import org.springframework.scheduling.concurrent.ThreadPoolTaskExecutor;import org.springframework.stereotype.Component;import javax.annotation.Resource;import java.util.ArrayList;import java.util.List;import java.util.Map;import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;import java.util.concurrent.Executor;import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;import java.util.concurrent.TimeUnit;/** * Lua腳本 * // 加鎖 * if * redis.call(‘setNx’,KEYS[1],ARGV[1]) * then * if redis.call(‘get’,KEYS[1])==ARGV[1] * return redis.call(‘expire’,KEYS[1],ARGV[2]) * else * return 0 * end * end * * // 解鎖 * redis.call(‘get’, KEYS[1]) == ARGV[1] * then * return redis.call(‘del’, KEYS[1]) * else * return 0 * * * //更新時間 * if redis.call(‘get’, KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call(‘expire’, KEYS[1], ARGV[2]) else return 0 end * * * * */@Slf4j@Componentpublic class RedisLockUtils { @Resource private RedisTemplate redisTemplate; private static Map lockInfoMap = new ConcurrentHashMap(); private static final Long SUCCESS = 1L; @Data public static class LockInfo { private String key; private String value; private int expireTime; //更新時間 private long renewalTime; //更新間隔 private long renewalInterval; public static LockInfo getLockInfo(String key, String value, int expireTime) { LockInfo lockInfo = new LockInfo(); lockInfo.setKey(key); lockInfo.setValue(value); lockInfo.setExpireTime(expireTime); lockInfo.setRenewalTime(System.currentTimeMillis()); lockInfo.setRenewalInterval(expireTime * 2000 / 3); return lockInfo; } } /** * 使用lua腳本加鎖 * @param lockKey 鎖 * @param value 身份標識（保證鎖不會被其他人釋放） * @param expireTime 鎖的過期時間（單位：秒） * @Desc 注意事項，redisConfig配置里面必須使用 genericToStringSerializer序列化,否則獲取不了返回值 */ public boolean tryLock(String lockKey, String value, int expireTime) { String luaScript = “if redis.call(‘setNx’,KEYS[1],ARGV[1]) then if redis.call(‘get’,KEYS[1])==ARGV[1] then return redis.call(‘expire’,KEYS[1],ARGV[2]) else return 0 end end”; DefaultRedisScript redisScript = new DefaultRedisScript(); redisScript.setResultType(Boolean.class); redisScript.setScriptText(luaScript); List keys = new ArrayList(); keys.add(lockKey); //Object result = redisTemplate.execute(redisScript, Collections.singletonList(lockKey),value,expireTime + “”); // Object result = redisTemplate.execute(redisScript, new StringRedisSerializer(), new StringRedisSerializer(), Collections.singletonList(lockKey), identity, expireTime); Object result = redisTemplate.execute(redisScript, keys, value, expireTime); log.info(“已獲取到{}對應的鎖!”, lockKey); if (expireTime >= 10) { lockInfoMap.put(lockKey + value, LockInfo.getLockInfo(lockKey, value, expireTime)); } return (boolean) result; } /** * 使用lua腳本釋放鎖 * @param lockKey * @param value * @return 成功返回true, 失敗返回false */ public boolean unlock(String lockKey, String value) { lockInfoMap.remove(lockKey + value); String luaScript = “if redis.call(‘get’, KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call(‘del’, KEYS[1]) else return 0 end”; DefaultRedisScript redisScript = new DefaultRedisScript(); redisScript.setResultType(Boolean.class); redisScript.setScriptText(luaScript); List keys = new ArrayList(); keys.add(lockKey); Object result = redisTemplate.execute(redisScript, keys, value); log.info(“解鎖成功：{}”, result); return (boolean) result; } /** * 使用lua腳本更新redis鎖的過期時間 * @param lockKey * @param value * @return 成功返回true, 失敗返回false */ public boolean renewal(String lockKey, String value, int expireTime) { String luaScript = “if redis.call(‘get’, KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call(‘expire’, KEYS[1], ARGV[2]) else return 0 end”; DefaultRedisScript redisScript = new DefaultRedisScript(); redisScript.setResultType(Boolean.class); redisScript.setScriptText(luaScript); List keys = new ArrayList(); keys.add(lockKey); Object result = redisTemplate.execute(redisScript, keys, value, expireTime); log.info(“更新redis鎖的過期時間：{}”, result); return (boolean) result; } /** * * @param lockKey 鎖 * @param value 身份標識（保證鎖不會被其他人釋放） * @param expireTime 鎖的過期時間（單位：秒） * @return 成功返回true, 失敗返回false */ public boolean lock(String lockKey, String value, long expireTime) { return redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(lockKey, value, expireTime, TimeUnit.SECONDS); } /** * redisTemplate解鎖 * @param key * @param value * @return 成功返回true, 失敗返回false */ public boolean unlock2(String key, String value) { Object currentValue = redisTemplate.opsForValue().get(key); boolean result = false; if (StringUtils.isNotEmpty(String.valueOf(currentValue)) && currentValue.equals(value)) { result = redisTemplate.opsForValue().getOperations().delete(key); } return result; } /** * 定時去檢查redis鎖的過期時間 */ @Scheduled(fixedRate = 5000L) @Async(“redisExecutor”) public void renewal() { long now = System.currentTimeMillis(); for (Map.Entry lockInfoEntry : lockInfoMap.entrySet()) { LockInfo lockInfo = lockInfoEntry.getValue(); if (lockInfo.getRenewalTime() + lockInfo.getRenewalInterval() < now) { renewal(lockInfo.getKey(), lockInfo.getValue(), lockInfo.getExpireTime()); lockInfo.setRenewalTime(now); log.info("lockInfo {}", JSON.toJSONString(lockInfo)); } } } /** * 分布式鎖設置單獨線程池 * @return */ @Bean("redisExecutor") public Executor redisExecutor() { ThreadPoolTaskExecutor executor = new ThreadPoolTaskExecutor(); executor.setCorePoolSize(1); executor.setMaxPoolSize(1); executor.setQueueCapacity(1); executor.setKeepAliveSeconds(60); executor.setThreadNamePrefix("redis-renewal-"); executor.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy()); return executor; }}
第三步，創(chuàng)建RedisTemplate 配置類，配置Redistemplate,示例代碼如下：
@Configurationpublic class RedisConfig { @Bean public RedisTemplate redisTemplate(RedisConnectionFactory redisConnectionFactory) throws Exception { RedisTemplate redisTemplate = new RedisTemplate(); redisTemplate.setConnectionFactory(redisConnectionFactory); // 創(chuàng)建 序列化類 GenericToStringSerializer genericToStringSerializer = new GenericToStringSerializer(Object.class); redisTemplate.setKeySerializer(new StringRedisSerializer()); redisTemplate.setValueSerializer(genericToStringSerializer); return redisTemplate; }}
第四步，實現(xiàn)業(yè)務調用，這里以扣減庫存為例，示例代碼如下：
@RestControllerpublic class IndexController { @Resource private RedisTemplate redisTemplate; @Autowired private RedisLockUtils redisLock; @RequestMapping(“/deduct-stock”) public String deductStock() { String productId = “product001”; System.out.println(“—————->>>開始扣減庫存”); String key = productId; String requestId = productId + Thread.currentThread().getId(); try { boolean locked = redisLock.lock(key, requestId, 10); if (!locked) { return “error”; } //執(zhí)行業(yè)務邏輯 //System.out.println(“—————->>>執(zhí)行業(yè)務邏輯:”+appTitle); int stock = Integer.parseInt(redisTemplate.opsForValue().get(“product001-stock”).toString()); int currentStock = stock-1; redisTemplate.opsForValue().set(“product001-stock”,currentStock); try { Random random = new Random(); Thread.sleep(random.nextInt(3) *1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(“—————->>>扣減庫存結束:current stock:” + currentStock); return “success,current stock:” + currentStock; } finally { redisLock.unlock2(key, requestId); } }}
六、驗證測試
代碼完成之后，開始測試。我們同時啟動兩個實例，端口號為：8888和8889模擬分布式系統(tǒng)。
接下來，我們分別請求：http://localhost:8888/deduct-stock和http://localhost:8889/deduct-stock，或者使用JMater分別請求這兩個地址，模擬高并發(fā)的情況。
通過上圖我們可以看到，在批量請求的情況下，庫存扣減也沒有出現(xiàn)問題。說明分布式鎖生效了。
最后
以上，我們就把什么是分布式鎖，如何基于Redis 實現(xiàn)分布式鎖的解決方案介紹完了。分布式鎖是分布式系統(tǒng)中的重要功能組件，希望大家能夠熟練掌握。
