基于Redis实现简单的分布式锁

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redis

redis 分布式锁

在分布式场景下，有很多种情况都需要实现最终一致性。在设计远程上下文的领域事件的时候，为了保证最终一致性，在通过领域事件进行通讯的方式中，可以共享存储（领域模型和消息的持久化数据源），或者做全局XA事务（两阶段提交，数据源可分开），也可以借助消息中间件（消费者处理需要能幂等）。通过Observer模式来发布领域事件可以提供很好的高并发性能，并且事件存储也能追溯更小粒度的事件数据，使各个应用系统拥有更好的自治性。

本文主要探讨了一种实现分布式最终一致性的解决方案——采用分布式锁。基于分布式锁的解决方案，比如zookeeper,redis都是相较于持久化（如利用InnoDB行锁，或事务，或version乐观锁）方案提供了高可用性，并且支持丰富化的使用场景。本文通过Java版本的redis分布式锁开源框架——Redisson来解析一下实现分布式锁的思路。

Redis本身支持的事务

http://redisdoc.com/topic/transaction.html

MULTI 、 EXEC 、 DISCARD 和 WATCH 是 Redis 事务的基础，MULTI, EXEC, DISCARD 和 WATCH 命令是Redis事务的基石。一个Redis事务允许一组Redis命令单步执行，并提供下面两个重要保证：一个事务中的所有命令串行执行；要么全部命令要么没有任何命令被处理。具体可参开这篇文章：http://blog.xiping.me/2010/12/transaction-in-redis.html。

事务可以一次执行多个命令，并且带有以下两个重要的保证：

事务是一个单独的隔离操作：事务中的所有命令都会序列化、按顺序地执行。事务在执行的过程中，不会被其他客户端发送来的命令请求所打断。
事务是一个原子操作：事务中的命令要么全部被执行，要么全部都不执行。

EXEC 命令负责触发并执行事务中的所有命令：

如果客户端在使用 MULTI 开启了一个事务之后，却因为断线而没有成功执行 EXEC ，那么事务中的所有命令都不会被执行。另一方面，如果客户端成功在开启事务之后执行 EXEC ，那么事务中的所有命令都会被执行。当使用 AOF 方式做持久化的时候， Redis 会使用单个 write(2) 命令将事务写入到磁盘中。然而，如果 Redis 服务器因为某些原因被管理员杀死，或者遇上某种硬件故障，那么可能只有部分事务命令会被成功写入到磁盘中。如果 Redis 在重新启动时发现 AOF 文件出了这样的问题，那么它会退出，并汇报一个错误。

自己实现Redis分布式锁

根据一些分布式锁相关的文档，开始动手根据redis提供的原子操作进行实现：

http://blog.csdn.net/ugg/article/details/41894947

在其中主要用到了Redis中的两条原子命令：

1.SETNX key value

Available since 1.0.0.
Time complexity: O(1)
Set key to hold string value if key does not exist. In that case, it is equal to SET. When key already holds a value, no operation is performed. SETNX is short for "SET if Not eXists".
Return value
Integer reply, specifically:
1 if the key was set
0 if the key was not set

2.GETSET key value

起始版本：1.0.0
时间复杂度：O(1)
 
自动将key对应到value并且返回原来key对应的value，返回之前的旧值，如果之前Key不存在将返回nil。

摘自文章：http://www.jeffkit.info/2011/05/994/，其中有一节：GETSET的妙用，其中有一段：

上一个经验虽说可以解决这条数据该“插入还是更新”的问题，但需要知道当前操作是否针对某数据的首次操作的需求还不少。例如我的程序会在不同时间接收到同一条消息的不同分片信息包，我需要在收到该消息的首个信息包（发送是无序的）时做些特殊处理。
 
早些时候的做法是为消息在MongoDB维护一个状态对象，有信息包来的时候就走“上锁->检查消息状态->根据状态决定做不做特殊操作->解锁” 这个流程，虽然同事已经把锁的粒度控制得非常细了，但有锁的程序遇上多实例部署就歇了。
 
Redis的GETSET是解决这个问题的终极武器，只需要把当前信息包的唯一标识对指定的状态属性进行一次GETSET操作，再判断返回值是否为空则知道是否首次操作。GETSET替我们把两次读写的操作封装成了原子操作。

实现逻辑

获取redis针对某个锁的时候，需要根据lockKey区进行setnx（set not exist，顾名思义，如果key值为空，则正常设置，返回1，否则不会进行设置并返回0）操作，如果设置成功，表示已经获得锁，否则并没有获取锁。

如果没有获得锁，去Redis上拿到该key对应的值，在该key上我们存储一个时间戳（用毫秒表示，t1），为了避免死锁以及其他客户端占用该锁超过一定时间（5秒），使用该客户端当前时间戳，与存储的时间戳作比较。

如果没有超过该key的使用时限，返回false，表示其他人正在占用该key，不能强制使用；如果已经超过时限，那我们就可以进行解锁，使用我们的时间戳来代替该字段的值。使用getset来设置该字段的值，getset可以返回设置完成之前的值t2，如果t2!=t1，说明在getset之前已经有其他线程已经设置了该字段，事实上，我们还是没有获得该锁（已经被其他人抢占）。但是这会造成一定的数据错误，因为我们已经用getset设置了一个新的时间戳（并不是抢占该锁的客户端设置的时间戳），所幸这样操作的误差比较小可以忽略不计。

但是如果在setnx失败后，get该值却无法拿到该字段时，说明在我们操作之前该锁已经被释放，这个时候，最好的办法就是重新执行一遍setnx方法来获取其值以获得该锁。当然，这仍然可能失败，但失败的逻辑与之前的相同。虽然出现这种情况非常少见，但是为了避免每次都出现导致StackOverflowError的错误，设置调用层次。

public static final int ACQUIRE_LOCK_MAX_ATTEMPTS = 10;
    public static final long EXPIRE_TIME = 5000L;
 
    /**
     * 基于时间戳根据lockKey尝试获取锁，需要与releaseLock成对使用;
     * <p/>使用该方法的前提是必须要保证服务器之间时间同步
     * <p/>如果持有锁的时间超过 #{EXPIRE_TIME}，视为超时，其他客户端可以对其进行重新获取锁的操作
     *
     * @param lockKey - 锁键值，即争夺的资源
     * @return - 当成功获取锁后，返回true，否则返回false；如果没有获取锁，需要客户端进行轮询来尝试获取
     */
    public boolean acquireLock(String lockKey) {
        return acquireLock(lockKey, 0);
    }
 
    private boolean acquireLock(String lockKey, int depth) {
        long setnx = jedis.setnx(lockKey, String.valueOf(System.currentTimeMillis()));
        if (setnx == 1L) {
            //说明客户端已经获得锁
            LOG.info(String.format("lock key : %s is acquired!", lockKey));
            return true;
        } else {
            //此时，该lockKey已经被其他客户端加锁
            String keyTimestamp = jedis.get(lockKey);
            if (keyTimestamp == null) {
                //如果该值已经被清空，就尝试去重新获取
                if (depth == ACQUIRE_LOCK_MAX_ATTEMPTS) {
                    //如果尝试次数超过10次，则不再尝试，直接返回false
                    LOG.info(String.format("lock key : %s exceed max attemps: %s, quit!", lockKey,
                            ACQUIRE_LOCK_MAX_ATTEMPTS));
                    return false;
                }
                return acquireLock(lockKey, depth + 1);
            }
 
            long intervalTime = System.currentTimeMillis() - Long.valueOf(keyTimestamp);
            if (intervalTime < EXPIRE_TIME) {
                //锁在一定时间内并没有超时，获取锁失败
                LOG.info("lock key : %s acquire failed! other client persist this lock!", lockKey);
                return false;
            } else {
                //锁已经超时，尝试执行getset操作，设置当前时间戳
                String getSetTimestamp = jedis.getSet(lockKey, String.valueOf(System.currentTimeMillis()));
                if (getSetTimestamp == null) {
                    //考虑非常特殊的情况，有人释放了锁执行del操作
                    //此时get/set拿到的是nil值，说明已经获得了锁
                    LOG.info(String.format("lock key : %s is acquired! GETSET returns null!", lockKey));
                    return true;
                }
                if (!getSetTimestamp.equals(keyTimestamp)) {
                    //在设置时，说明该锁已经被其他client加上
                    //此时会有对应的副作用，比如
                    LOG.info("lock key : %s acquire failed! other client acquire this lock!", lockKey);
                    return false;
                } else {
                    //锁已更新，可以正常返回
                    LOG.info(String.format("lock key : %s is acquired! origin client is time out!", lockKey));
                    return true;
                }
            }
        }
    }

释放锁的过程相对来说比较简单，但是我们采用这种方式的话，不能控制什么时候该释放锁，当然也可以采用回调的方式来实现默认释放掉锁，以便于控制释放过程。

 /**
     * 释放lockKey对应的锁，注意需要与acquireLock成对使用
     * <p/>不能随意对其他人使用的锁进行释放操作
     *
     * @param lockKey
     * @return - 如果释放成功返回true
     */
    public boolean releaseLock(String lockKey) {
        boolean result = jedis.del(lockKey) == 1L;
        LOG.info(String.format("lock key: %s is released!", lockKey));
        return result;
    }

但这套毕竟是自己实现的，还会有很多漏洞，在github发现了一套开源的实现：https://github.com/mrniko/redisson/wiki，可以对其进行深入研究并应用到我们的系统中，这样系统会更加健壮。

在简单对其使用Jmeter进行性能测试，发现库存控制比较好，能够满足实际需求，但测试过程中也遇到了一些问题。

我们如果使用这种方式，能否让没有拿到锁的线程能够及时收到通知，重新连接？

对于使用的JedisClient时，不能每次都使用同一个实例，需要在必要的情况化对其执行回收。

http://stackoverflow.com/questions/32429981/jedis-broken-pipe-exception

四月 28, 2016 5:03:18 下午 org.apache.catalina.core.StandardWrapperValve invoke
严重: Servlet.service() for servlet [springmvc] in context with path [] threw exception [Request processing failed; nested exception is redis.clients.jedis.exceptions.JedisConnectionException: java.net.SocketException: Broken pipe] with root cause
java.net.SocketException: Broken pipe
    at java.net.SocketOutputStream.socketWrite0(Native Method)
    at java.net.SocketOutputStream.socketWrite(SocketOutputStream.java:109)
    at java.net.SocketOutputStream.write(SocketOutputStream.java:153)
    at redis.clients.util.RedisOutputStream.flushBuffer(RedisOutputStream.java:52)
    at redis.clients.util.RedisOutputStream.flush(RedisOutputStream.java:213)
    at redis.clients.jedis.Connection.flush(Connection.java:288)
    at redis.clients.jedis.Connection.getBinaryBulkReply(Connection.java:214)
    at redis.clients.jedis.Connection.getBulkReply(Connection.java:205)
    at redis.clients.jedis.Jedis.get(Jedis.java:101)
    at com.api.example.controller.UserController.decrElement(UserController.java:52)
    at sun.reflect.GeneratedMethodAccessor25.invoke(Unknown Source)
    at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
    at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:483)
    at org.springframework.web.method.support.InvocableHandlerMethod.doInvoke(InvocableHandlerMethod.java:221)
    at org.springframework.web.method.support.InvocableHandlerMethod.invokeForRequest(InvocableHandlerMethod.java:137)
    at org.springframework.web.servlet.mvc.method.annotation.ServletInvocableHandlerMethod.invokeAndHandle(ServletInvocableHandlerMethod.java:110)
    at org.springframework.web.servlet.mvc.method.annotation.RequestMappingHandlerAdapter.invokeHandleMethod(RequestMappingHandlerAdapter.java:777)
    at org.springframework.web.servlet.mvc.method.annotation.RequestMappingHandlerAdapter.handleInternal(RequestMappingHandlerAdapter.java:706)
    at org.springframework.web.servlet.mvc.method.AbstractHandlerMethodAdapter.handle(AbstractHandlerMethodAdapter.java:85)
    at org.springframework.web.servlet.DispatcherServlet.doDispatch(DispatcherServlet.java:943)
    at org.springframework.web.servlet.DispatcherServlet.doService(DispatcherServlet.java:877)
    at org.springframework.web.servlet.FrameworkServlet.processRequest(FrameworkServlet.java:966)
    at org.springframework.web.servlet.FrameworkServlet.doGet(FrameworkServlet.java:857)
    at javax.servlet.http.HttpServlet.service(HttpServlet.java:620)
    at org.springframework.web.servlet.FrameworkServlet.service(FrameworkServlet.java:842)
    at javax.servlet.http.HttpServlet.service(HttpServlet.java:727)
    at org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain.internalDoFilter(ApplicationFilterChain.java:303)
    at org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain.doFilter(ApplicationFilterChain.java:208)
    at org.apache.tomcat.websocket.server.WsFilter.doFilter(WsFilter.java:52)
    at org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain.internalDoFilter(ApplicationFilterChain.java:241)
    at org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain.doFilter(ApplicationFilterChain.java:208)
    at org.springframework.web.filter.CharacterEncodingFilter.doFilterInternal(CharacterEncodingFilter.java:88)
    at org.springframework.web.filter.OncePerRequestFilter.doFilter(OncePerRequestFilter.java:107)
    at org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain.internalDoFilter(ApplicationFilterChain.java:241)
    at org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain.doFilter(ApplicationFilterChain.java:208)
    at org.apache.catalina.core.StandardWrapperValve.invoke(StandardWrapperValve.java:220)
    at org.apache.catalina.core.StandardContextValve.invoke(StandardContextValve.java:122)
    at org.apache.catalina.authenticator.AuthenticatorBase.invoke(AuthenticatorBase.java:501)
    at org.apache.catalina.core.StandardHostValve.invoke(StandardHostValve.java:171)
    at org.apache.catalina.valves.ErrorReportValve.invoke(ErrorReportValve.java:102)
    at org.apache.catalina.valves.AccessLogValve.invoke(AccessLogValve.java:950)
    at org.apache.catalina.core.StandardEngineValve.invoke(StandardEngineValve.java:116)
    at org.apache.catalina.connector.CoyoteAdapter.service(CoyoteAdapter.java:408)
    at org.apache.coyote.http11.AbstractHttp11Processor.process(AbstractHttp11Processor.java:1040)
    at org.apache.coyote.AbstractProtocol$AbstractConnectionHandler.process(AbstractProtocol.java:607)
    at org.apache.tomcat.util.net.JIoEndpoint$SocketProcessor.run(JIoEndpoint.java:314)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1142)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:617)
    at org.apache.tomcat.util.threads.TaskThread$WrappingRunnable.run(TaskThread.java:61)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

此时就需要使用JedisPool来获取资源，可以避免出现这个问题，注意在最后要回收资源：

Jedis jedis = jedisPool.getResource();
        try {
            while (true) {
                String productCountString = jedis.get("product");
                if (Integer.parseInt(productCountString) > 0) {
                    if (acquireLock(jedis, "abc")) {
                        int productCount = Integer.parseInt(jedis.get("product"));
                        System.out.println(String.format("%tT --- Get product: %s", new Date(), productCount));
//                        System.out.println(productCount);
                        jedis.decr("product");
                        releaseLock(jedis, "abc");
                        return "Success";
                    }
                    Thread.sleep(1000L);
                } else {
                    return "Over";
                }
            }
        } finally {
            jedis.close();
        }

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2016-04-29 08:42
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