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每日一博 | 基于 redis 的 spring boot 分布式锁实现

随着现在分布式架构越来越盛行，在很多场景下需要使用到分布式锁。分布式锁的实现有很多种，比如基于数据库、 zookeeper 等，本文主要介绍使用 Redis 做分布式锁的方式，并封装成spring boot starter，方便使用

一. Redis 分布式锁的实现以及存在的问题

锁是针对某个资源，保证其访问的互斥性，在实际使用当中，这个资源一般是一个字符串。使用 Redis 实现锁，主要是将资源放到 Redis 当中，利用其原子性，当其他线程访问时，如果 Redis 中已经存在这个资源，就不允许之后的一些操作。spring boot使用 Redis 的操作主要是通过 RedisTemplate 来实现，一般步骤如下：

将锁资源放入 Redis （注意是当key不存在时才能放成功，所以使用 setIfAbsent 方法）：

redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("key", "value");

设置过期时间

redisTemplate.expire("key", 30000, TimeUnit.MILLISECONDS);

释放锁

redisTemplate.delete("key");

一般情况下，这样的实现就能够满足锁的需求了，但是如果在调用 setIfAbsent 方法之后线程挂掉了，即没有给锁定的资源设置过期时间，默认是永不过期，那么这个锁就会一直存在。所以需要保证设置锁及其过期时间两个操作的原子性，spring data的 RedisTemplate 当中并没有这样的方法。但是在jedis当中是有这种原子操作的方法的，需要通过 RedisTemplate 的 execute 方法获取到jedis里操作命令的对象，代码如下：

String result = redisTemplate.execute(new RedisCallback<String>() {
	@Override
	public String doInRedis(RedisConnection connection) throws DataAccessException {
		JedisCommands commands = (JedisCommands) connection.getNativeConnection();
		return commands.set(key, "锁定的资源", "NX", "PX", expire);
	}
});

注意： Redis 从2.6.12版本开始 set 命令支持 NX 、 PX 这些参数来达到 setnx 、 setex 、 psetex 命令的效果，文档参见： http://doc.redisfans.com/string/set.html

NX： 表示只有当锁定资源不存在的时候才能 SET 成功。利用 Redis 的原子性，保证了只有第一个请求的线程才能获得锁，而之后的所有线程在锁定资源被释放之前都不能获得锁。

PX： expire 表示锁定的资源的自动过期时间，单位是毫秒。具体过期时间根据实际场景而定

这样在获取锁的时候就能够保证设置 Redis 值和过期时间的原子性，避免前面提到的两次 Redis 操作期间出现意外而导致的锁不能释放的问题。但是这样还是可能会存在一个问题，考虑如下的场景顺序：

线程T1获取锁
线程T1执行业务操作，由于某些原因阻塞了较长时间
锁自动过期，即锁自动释放了
线程T2获取锁
线程T1业务操作完毕，释放锁（其实是释放的线程T2的锁）

按照这样的场景顺序，线程T2的业务操作实际上就没有锁提供保护机制了。所以，每个线程释放锁的时候只能释放自己的锁，即锁必须要有一个拥有者的标记，并且也需要保证释放锁的原子性操作。

因此在获取锁的时候，可以生成一个随机不唯一的串放入当前线程中，然后再放入 Redis 。释放锁的时候先判断锁对应的值是否与线程中的值相同，相同时才做删除操作。

Redis 从2.6.0开始通过内置的 Lua 解释器，可以使用 EVAL 命令对 Lua 脚本进行求值，文档参见： http://doc.redisfans.com/script/eval.html

因此我们可以通过 Lua 脚本来达到释放锁的原子操作，定义 Lua 脚本如下：

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

具体意思可以参考上面提供的文档地址

使用 RedisTemplate 执行的代码如下：

// 使用Lua脚本删除Redis中匹配value的key，可以避免由于方法执行时间过长而redis锁自动过期失效的时候误删其他线程的锁
// spring自带的执行脚本方法中，集群模式直接抛出不支持执行脚本的异常，所以只能拿到原redis的connection来执行脚本
Long result = redisTemplate.execute(new RedisCallback<Long>() {
	public Long doInRedis(RedisConnection connection) throws DataAccessException {
		Object nativeConnection = connection.getNativeConnection();
		// 集群模式和单机模式虽然执行脚本的方法一样，但是没有共同的接口，所以只能分开执行
		// 集群模式
		if (nativeConnection instanceof JedisCluster) {
			return (Long) ((JedisCluster) nativeConnection).eval(UNLOCK_LUA, keys, args);
		}

		// 单机模式
		else if (nativeConnection instanceof Jedis) {
			return (Long) ((Jedis) nativeConnection).eval(UNLOCK_LUA, keys, args);
		}
		return 0L;
	}
});

代码中分为集群模式和单机模式，并且两者的方法、参数都一样，原因是spring封装的执行脚本的方法中（ RedisConnection 接口继承于 RedisScriptingCommands 接口的 eval 方法），集群模式的方法直接抛出了不支持执行脚本的异常（虽然实际是支持的），所以只能拿到 Redis 的connection来执行脚本，而 JedisCluster 和 Jedis 中的方法又没有实现共同的接口，所以只能分开调用。

spring封装的集群模式执行脚本方法源码：

# JedisClusterConnection.java
/**
 * (non-Javadoc)
 * @see org.springframework.data.redis.connection.RedisScriptingCommands#eval(byte[], org.springframework.data.redis.connection.ReturnType, int, byte[][])
 */
@Override
public <T> T eval(byte[] script, ReturnType returnType, int numKeys, byte[]... keysAndArgs) {
	throw new InvalidDataAccessApiUsageException("Eval is not supported in cluster environment.");
}

至此，我们就完成了一个相对可靠的 Redis 分布式锁，但是，在集群模式的极端情况下，还是可能会存在一些问题，比如如下的场景顺序（ 本文暂时不深入开展 ）：

线程T1获取锁成功
Redis 的master节点挂掉，slave自动顶上
线程T2获取锁，会从slave节点上去判断锁是否存在，由于Redis的master slave复制是异步的，所以此时线程T2可能成功获取到锁

为了可以以后扩展为使用其他方式来实现分布式锁，定义了接口和抽象类，所有的源码如下：

# DistributedLock.java 顶级接口
/**
 * @author fuwei.deng
 * @date 2017年6月14日 下午3:11:05
 * @version 1.0.0
 */
public interface DistributedLock {
	
	public static final long TIMEOUT_MILLIS = 30000;
	
	public static final int RETRY_TIMES = Integer.MAX_VALUE;
	
	public static final long SLEEP_MILLIS = 500;

	public boolean lock(String key);
	
	public boolean lock(String key, int retryTimes);
	
	public boolean lock(String key, int retryTimes, long sleepMillis);
	
	public boolean lock(String key, long expire);
	
	public boolean lock(String key, long expire, int retryTimes);
	
	public boolean lock(String key, long expire, int retryTimes, long sleepMillis);
	
	public boolean releaseLock(String key);
}

# AbstractDistributedLock.java 抽象类，实现基本的方法，关键方法由子类去实现
/**
 * @author fuwei.deng
 * @date 2017年6月14日 下午3:10:57
 * @version 1.0.0
 */
public abstract class AbstractDistributedLock implements DistributedLock {

	@Override
	public boolean lock(String key) {
		return lock(key, TIMEOUT_MILLIS, RETRY_TIMES, SLEEP_MILLIS);
	}

	@Override
	public boolean lock(String key, int retryTimes) {
		return lock(key, TIMEOUT_MILLIS, retryTimes, SLEEP_MILLIS);
	}

	@Override
	public boolean lock(String key, int retryTimes, long sleepMillis) {
		return lock(key, TIMEOUT_MILLIS, retryTimes, sleepMillis);
	}

	@Override
	public boolean lock(String key, long expire) {
		return lock(key, expire, RETRY_TIMES, SLEEP_MILLIS);
	}

	@Override
	public boolean lock(String key, long expire, int retryTimes) {
		return lock(key, expire, retryTimes, SLEEP_MILLIS);
	}

}

# RedisDistributedLock.java Redis分布式锁的实现
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.UUID;

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import org.springframework.dao.DataAccessException;
import org.springframework.data.redis.connection.RedisConnection;
import org.springframework.data.redis.core.RedisCallback;
import org.springframework.data.redis.core.RedisTemplate;
import org.springframework.util.StringUtils;

import redis.clients.jedis.Jedis;
import redis.clients.jedis.JedisCluster;
import redis.clients.jedis.JedisCommands;

/**
 * @author fuwei.deng
 * @date 2017年6月14日 下午3:11:14
 * @version 1.0.0
 */
public class RedisDistributedLock extends AbstractDistributedLock {
	
	private final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(RedisDistributedLock.class);
	
	private RedisTemplate<Object, Object> redisTemplate;
	
	private ThreadLocal<String> lockFlag = new ThreadLocal<String>();
	
	public static final String UNLOCK_LUA;

    static {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append("if redis.call(/"get/",KEYS[1]) == ARGV[1] ");
        sb.append("then ");
        sb.append("    return redis.call(/"del/",KEYS[1]) ");
        sb.append("else ");
        sb.append("    return 0 ");
        sb.append("end ");
        UNLOCK_LUA = sb.toString();
    }

	public RedisDistributedLock(RedisTemplate<Object, Object> redisTemplate) {
		super();
		this.redisTemplate = redisTemplate;
	}

	@Override
	public boolean lock(String key, long expire, int retryTimes, long sleepMillis) {
		boolean result = setRedis(key, expire);
		// 如果获取锁失败，按照传入的重试次数进行重试
		while((!result) && retryTimes-- > 0){
			try {
				logger.debug("lock failed, retrying..." + retryTimes);
				Thread.sleep(sleepMillis);
			} catch (InterruptedException e) {
				return false;
			}
			result = setRedis(key, expire);
		}
		return result;
	}
	
	private boolean setRedis(String key, long expire) {
		try {
			String result = redisTemplate.execute(new RedisCallback<String>() {
				@Override
				public String doInRedis(RedisConnection connection) throws DataAccessException {
					JedisCommands commands = (JedisCommands) connection.getNativeConnection();
					String uuid = UUID.randomUUID().toString();
					lockFlag.set(uuid);
					return commands.set(key, uuid, "NX", "PX", expire);
				}
			});
			return !StringUtils.isEmpty(result);
		} catch (Exception e) {
			logger.error("set redis occured an exception", e);
		}
		return false;
	}
	
	@Override
	public boolean releaseLock(String key) {
		// 释放锁的时候，有可能因为持锁之后方法执行时间大于锁的有效期，此时有可能已经被另外一个线程持有锁，所以不能直接删除
		try {
			List<String> keys = new ArrayList<String>();
			keys.add(key);
			List<String> args = new ArrayList<String>();
			args.add(lockFlag.get());

			// 使用lua脚本删除redis中匹配value的key，可以避免由于方法执行时间过长而redis锁自动过期失效的时候误删其他线程的锁
			// spring自带的执行脚本方法中，集群模式直接抛出不支持执行脚本的异常，所以只能拿到原redis的connection来执行脚本
			
			Long result = redisTemplate.execute(new RedisCallback<Long>() {
				public Long doInRedis(RedisConnection connection) throws DataAccessException {
					Object nativeConnection = connection.getNativeConnection();
					// 集群模式和单机模式虽然执行脚本的方法一样，但是没有共同的接口，所以只能分开执行
					// 集群模式
					if (nativeConnection instanceof JedisCluster) {
						return (Long) ((JedisCluster) nativeConnection).eval(UNLOCK_LUA, keys, args);
					}

					// 单机模式
					else if (nativeConnection instanceof Jedis) {
						return (Long) ((Jedis) nativeConnection).eval(UNLOCK_LUA, keys, args);
					}
					return 0L;
				}
			});
			
			return result != null && result > 0;
		} catch (Exception e) {
			logger.error("release lock occured an exception", e);
		}
		return false;
	}
	
}

二. 基于 AOP 的 Redis 分布式锁

在实际的使用过程中，分布式锁可以封装好后使用在方法级别，这样就不用每个地方都去获取锁和释放锁，使用起来更加方便。

首先定义个注解：

import java.lang.annotation.ElementType;
import java.lang.annotation.Inherited;
import java.lang.annotation.Retention;
import java.lang.annotation.RetentionPolicy;
import java.lang.annotation.Target;

/**
 * @author fuwei.deng
 * @date 2017年6月14日 下午3:10:36
 * @version 1.0.0
 */
@Target({ElementType.METHOD})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Inherited
public @interface RedisLock {

	/** 锁的资源，redis的key*/
	String value() default "default";
	
	/** 持锁时间,单位毫秒*/
	long keepMills() default 30000;
	
	/** 当获取失败时候动作*/
	LockFailAction action() default LockFailAction.CONTINUE;
	
	public enum LockFailAction{
        /** 放弃 */
        GIVEUP,
        /** 继续 */
        CONTINUE;
    }
	
	/** 重试的间隔时间,设置GIVEUP忽略此项*/
    long sleepMills() default 200;
    
    /** 重试次数*/
    int retryTimes() default 5;
}

装配分布式锁的bean

import org.springframework.boot.autoconfigure.AutoConfigureAfter;
import org.springframework.boot.autoconfigure.condition.ConditionalOnBean;
import org.springframework.boot.autoconfigure.data.redis.RedisAutoConfiguration;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.data.redis.core.RedisTemplate;

import com.itopener.lock.redis.spring.boot.autoconfigure.lock.DistributedLock;
import com.itopener.lock.redis.spring.boot.autoconfigure.lock.RedisDistributedLock;

/**
 * @author fuwei.deng
 * @date 2017年6月14日 下午3:11:31
 * @version 1.0.0
 */
@Configuration
@AutoConfigureAfter(RedisAutoConfiguration.class)
public class DistributedLockAutoConfiguration {
	
	@Bean
	@ConditionalOnBean(RedisTemplate.class)
	public DistributedLock redisDistributedLock(RedisTemplate<Object, Object> redisTemplate){
		return new RedisDistributedLock(redisTemplate);
	}
	
}

定义切面（spring boot配置方式）

import java.lang.reflect.Method;
import java.util.Arrays;

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.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.boot.autoconfigure.AutoConfigureAfter;
import org.springframework.boot.autoconfigure.condition.ConditionalOnClass;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.util.StringUtils;

import com.itopener.lock.redis.spring.boot.autoconfigure.annotations.RedisLock;
import com.itopener.lock.redis.spring.boot.autoconfigure.annotations.RedisLock.LockFailAction;
import com.itopener.lock.redis.spring.boot.autoconfigure.lock.DistributedLock;

/**
 * @author fuwei.deng
 * @date 2017年6月14日 下午3:11:22
 * @version 1.0.0
 */
@Aspect
@Configuration
@ConditionalOnClass(DistributedLock.class)
@AutoConfigureAfter(DistributedLockAutoConfiguration.class)
public class DistributedLockAspectConfiguration {
	
	private final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(DistributedLockAspectConfiguration.class);
	
	@Autowired
	private DistributedLock distributedLock;

	@Pointcut("@annotation(com.itopener.lock.redis.spring.boot.autoconfigure.annotations.RedisLock)")
	private void lockPoint(){
		
	}
	
	@Around("lockPoint()")
	public Object around(ProceedingJoinPoint pjp) throws Throwable{
		Method method = ((MethodSignature) pjp.getSignature()).getMethod();
		RedisLock redisLock = method.getAnnotation(RedisLock.class);
		String key = redisLock.value();
		if(StringUtils.isEmpty(key)){
			Object[] args = pjp.getArgs();
			key = Arrays.toString(args);
		}
		int retryTimes = redisLock.action().equals(LockFailAction.CONTINUE) ? redisLock.retryTimes() : 0;
		boolean lock = distributedLock.lock(key, redisLock.keepMills(), retryTimes, redisLock.sleepMills());
		if(!lock) {
			logger.debug("get lock failed : " + key);
			return null;
		}
		
		//得到锁,执行方法，释放锁
		logger.debug("get lock success : " + key);
		try {
			return pjp.proceed();
		} catch (Exception e) {
			logger.error("execute locked method occured an exception", e);
		} finally {
			boolean releaseResult = distributedLock.releaseLock(key);
			logger.debug("release lock : " + key + (releaseResult ? " success" : " failed"));
		}
		return null;
	}
}

spring boot starter还需要在 resources/META-INF 中添加 spring.factories 文件

# Auto Configure
org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration=/
com.itopener.lock.redis.spring.boot.autoconfigure.DistributedLockAutoConfiguration,/
com.itopener.lock.redis.spring.boot.autoconfigure.DistributedLockAspectConfiguration

这样封装之后，使用spring boot开发的项目，直接依赖这个starter，就可以在方法上加 RedisLock 注解来实现分布式锁的功能了，当然如果需要自己控制，直接注入分布式锁的bean即可

@Autowired
private DistributedLock distributedLock;

如果需要使用其他的分布式锁实现，继承 AbstractDistributedLock 后实现获取锁和释放锁的方法即可

参考资料：

http://zhangtielei.com/posts/blog-redlock-reasoning.html
http://doc.redisfans.com/index.html
https://www.jianshu.com/p/d72e8526bea1
https://www.jianshu.com/p/8cc44d008177

源码地址：

https://gitee.com/itopener/springboot （目录：itopener-parent / spring-boot-starters-parent / lock-redis-spring-boot-starter-parent）

原文 https://my.oschina.net/dengfuwei/blog/1600681

正文到此结束

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