图解Redisson如何实现分布式锁、锁续约？_网站优化分享

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一、基础
- 0）Redisson版本说明、案例
- - 案例
  - 1）Redisson连接Redis的方式
  - 2）用到的Redis命令
  - 3）用到的lua脚本语义
  - 二、源码分析
  - - 1、RLock
    - - 获取RLock对象
      - 2、加锁流程
      - 0）加锁流程图
        1）加锁到哪台机器
        2）Client第一次加锁
        3）加锁成功之后的锁续约
        4）重入加锁（相同线程多次加锁）
        5）锁竞争（其他线程加锁失败）
        1> 一直重试直到加锁成功
        2> 等待锁超时返回加锁失败
        3、释放锁流程
        1）Client主动尝试释放锁
        2）Client主动强制释放锁
        3）Client宕机，锁超时释放
        4）不启动锁续约的超时释放锁
        一、基础
        
        0）Redisson版本说明、案例
        
        使用当前（2022年12月初）最新的版本：3.18.1；
        
        org.redisson redisson 3.18.1
        
        案例
        
        案例采用redis-cluster集群的方式；
        
        public class Main { public static void main(String[] args) throws Exception { // 1.配置Redis-Cluster集群节点的ip和port Config config = new Config(); config.useClusterServers() .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"); // 2.创建Redisson的客户端 RedissonClient redisson = Redisson.create(config); // 3.测试Redisson可重⼊锁的加锁、释放锁 testLock(redisson); } private static void testLock(RedissonClient redisson) throws InterruptedException { // 1.获取key为"anyLock"的锁对象 final RLock lock = redisson.getLock("test_lock"); boolean locked = true; try { //2.1：加锁 lock.lock(); // 2.2：加锁，并设置尝试获取锁超时时间30s、锁超时⾃动释放的时间10s // locked = lock.tryLock(30, 10, TimeUnit.SECONDS); if (locked) System.out.println("加锁成功！" + new Date()); Thread.sleep(20 * 1000); System.out.println("锁逻辑执行完毕！" + new Date()); } finally { // 3.释放锁 lock.unlock(); } } }
        
        1）Redisson连接Redis的方式
        
        redission支持4种连接redis方式，分别为单机、主从、Sentinel、Cluster 集群；在分布式锁的实现上区别在于hash槽的获取方式。
        
        具体配置方式见Redisson的GitHub（https://github.com/redisson/redisson/wiki/2.-%E9%85%8D%E7%BD%AE%E6%96%B9%E6%B3%95#21-%E7%A8%8B%E5%BA%8F%E5%8C%96%E9%85%8D%E7%BD%AE%E6%96%B9%E6%B3%95）
        
        2）用到的Redis命令
        
        分布式锁主要需要以下redis命令：
        
        EXISTS key：当 key 存在，返回1；不存在，返回0。
        
        GETSET key value：将给定 key 的值设为 value ，并返回 key 的旧值 (old value)；当 key 存在但不是字符串类型时，返回一个错误；当key不存在时，返回nil。
        
        GET key：返回 key 所关联的字符串值，如果 key 不存在那么返回 nil。
        
        DEL key [KEY …]：删除给定的一个或多个 key（不存在的 key 会被忽略），返回实际删除的key的个数（integer）。
        
        DEL key1 key2 key3
        
        HSET key field value：给一个key 设置一个{field=value}的组合值，如果key没有就直接赋值并返回1；如果field已有，那么就更新value的值，并返回0。
        
        HEXISTS key field：当key中存储着field的时候返回1，如果key或者field有一个不存在返回0。
        
        HINCRBY key field increment：将存储在key中的哈希（Hash）对象中的指定字段field的值加上增量increment；
        
        如果键key不存在，一个保存了哈希对象{field=value}的key将被创建；
        如果字段field不存在，在进行当前操作前，feild将被创建，且对应的值被置为0；返回值是increment。
        
        PEXPIRE key milliseconds：设置存活时间，单位是毫秒。EXPIRE操作单位是秒。
        
        PUBLISH channel message：向channel post一个message内容的消息，返回接收消息的客户端数。
        
        3）用到的lua脚本语义
        
        Redisson源码中，执行redis命令的是lua脚本，其中主要有如下几个概念：
        
        redis.call()：执行redis命令。
        KEYS[n]：指脚本中第n个参数，比如KEYS[1]指脚本中的第一个参数。
        ARGV[n]：指脚本中第n个参数的值，比如ARGV[1]指脚本中的第一个参数的值。
        返回值中nil与false同一个意思。
        
        在redis执行lua脚本时，相当于一个redis级别的锁，不能执行其他操作，类似于原子操作，这也是redisson实现的一个关键点。
        
        另外，如果lua脚本执行过程中出现了异常或者redis服务器宕机了，会将脚本中已经执行的命令在AOF、RDB日志中删除；即LUA脚本执行报错会进行回滚操作。
        
        二、源码分析
        
        1、RLock
        
        RLock接口主要继承了Lock接口，并扩展了部分方法，比如：tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit)方法中加入的leaseTime参数，用来设置锁的过期时间，如果超过leaseTime还没有解锁的话，redis就强制解锁；leaseTime的默认时间是30s。
        
        获取RLock对象
        
        RLock lock = redissonClient.getLock("test_lock");
        
        RLock对象表示⼀个锁对象，我们要某一个key加锁时，需要先获取⼀个锁对象。
        
        这里并没有具体请求Redis进行加锁的逻辑，而只是调用RedissonLock的构造函数，设置一些变量。
        
        2、加锁流程
        
        进入到Rlock#lock()方法，先看主流程；关于竞争锁等待时间、锁超时释放时间的配置、使用，在流程中穿插着聊。
        
        0）加锁流程图
        
        1）加锁到哪台机器
        
        lock()方法执行链路：
        
        走到这里，已经可以看到加锁的底层逻辑：LUA脚本。
        
        而lua脚本只是⼀⼤串字符串，作为evalWriteAsync()⽅法的⼀个参数⽽已；所以下⼀步进到evalWriteAsync()⽅法中：
        
        走到这里会调用ConnectionManager#getEntry(String)方法；
        
        在创建RedissonClient时，笔者配置的是Redis-Cluster，而走到这里却会进入到MasterSlaveConnectionManager，实际上实例化的ConnectionManager就是RedisCluster模式下的ClusterConnectionManager，而ClusterConnectionManager继承自MasterSlaveConnectionManager，并且ClusterConnectionManager没有重写getEntry(String)方法，所以会进入到MasterSlaveConnectionManager#getEntry(String)方法。
        
        ConnectionManager#getEntry(String)方法会根据传入的key名称找到相应的Redis节点、目标master。
        
        Redis-Cluster集群中的数据分布式是通过⼀个⼀个的hash slot来实现的，Redis-Cluster集群总共16384个hash slot，它们都会被均匀分布到所有的master节点上；这里ClusterConnectionManager通过key名称计算出相应的hash slot方式如下：
        
        ⾸先通过key计算出CRC16值，然后 CRC16值对16384进⾏取模，进⽽得到hash slot。
        @Override public int calcSlot(String key) { if (key == null) { return 0; } int start = key.indexOf('{'); if (start != -1) { int end = key.indexOf('}'); if (end != -1 && start + 1 < end) { key = key.substring(start + 1, end); } } int result = CRC16.crc16(key.getBytes()) % MAX_SLOT; log.debug("slot {} for {}", result, key); return result; }
        
        这⾥计算出key的hash slot之后，就可以通过hash slot 去看⼀看哪个master上有这个hash slot，如果某个master上有个这个hash slot，那么这个 key当然就会落到该master节点上，执⾏加锁指令也就应该在该master上执⾏。
        
        下面进入本文重点，可重入锁的各种加锁、释放锁。
        
        2）Client第一次加锁
        
        在寻找应该在哪台Redis机器上加锁时，在RedissonLock#tryLockInnerAsync()方法中我们看到了一堆LUA脚本：
        
        LUA脚本参数解析：
        
        KEYS[1] 表示的是 getName() ，即锁key的名称，比如案例中的 test_lock；
        ARGV[1] 表示的是 internalLockLeaseTime 默认值是30s；
        ARGV[2] 表示的是 getLockName(threadId) ，唯一标识当前访问线程，使用锁对象id+线程id（UUID:ThreadId）方式表示，用于区分不同服务器上的线程。
        UUID用来唯⼀标识⼀个客户端，因为会有多个客户端的多个线程加锁；
        结合起来的UUID:ThreadId 表示：具体哪个客户端上的哪个线程过来加锁，通过这样的组合⽅式唯⼀标识⼀个线程。
        
        LUA脚本逻辑：
        
        如果锁名称不存在；
        则向redis中添加一个key为test_lock的HASH结构、添加一个field为线程id，值=1的键值对{field:increment}，表示此线程的重入次数为1；
        设置test_lock的过期时间，防止当前服务器出问题后导致死锁，然后return nil; end;返回nil，lua脚本执行完毕；
        如果锁存在，检测当前线程是否持有锁；
        如果是当前线程持有锁，hincrby将该线程重入的次数++；并重新设置锁的过期时间；返回nil，lua脚本执行完毕；
        如果不是当前线程持有锁，pttl返回锁的过期时间，单位ms。
        
        第一次加锁时，key肯定不存在与master节点上；会执行下列LUA脚本对应的Redis指令：
        
        hset test_lock UUID:ThreadId 1 pexpire test_lock 30000
        
        此时，Redis中多一个Hash结构的key（test_lock）：
        
        test_lock : { UUID:ThreadId：1 }
        
        这里的1使用来做锁重入的。
        
        pexpire指令为test_lock这个key设置过期时间为30s，即：30s后这个key会⾃动过期被删除，key对应的锁在那时也就被释放了。
        
        总体来看，加锁的逻辑很简单：
        
        在key对应的hash数据结构中记录了⼀下当前是哪个客户端的哪个线程过来加锁了，然后设置了⼀下key的过期时间为30s。
        3）加锁成功之后的锁续约
        
        成功加锁后，lua脚本返回nil，即null。
        
        加锁成功之后，tryLockInnerAsync()⽅法返回；再结合Java8的Stream，对加锁结果进一步处理；
        
        因为加锁成功后返回的是nil，这是lua脚本的返回形式，体现到java代码中的返回值为：null。
        又由于RLock#lock()方法传入的leaseTime是-1，所以进入到scheduleExpirationRenewal(long)方法做锁续约。
        
        renewExpirationAsync()方法负责做具体的锁续约：
        
        protected CompletionStage renewExpirationAsync(long threadId) { return evalWriteAsync(getRawName(), 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(getRawName()), internalLockLeaseTime, getLockName(threadId)); }
        
        这里LUA脚本的逻辑很简单：
        
        判断当前key中，是否还被线程UUID:ThreadId持有锁，持有则设置过期时间为30s（续命）。
        锁续约（看门狗机制）其实就是每次加锁成功后，会⻢上开启⼀个后台线程，每隔10s检查⼀下key是否存在，如果存在就为key续期30s。
        
        这里的10s，取自配置的lockWatchdogTimeout参数，默认为30 * 1000 ms；
        所以⼀个key往往当过期时间慢慢消逝到20s左右时就⼜会被定时任务重置为了30s，这样就能保证：只要这个定时任务还在、这个key还在，就⼀直维持加锁。
        如果当前持有锁的线程被中断了，会停止锁续约，即杀死看门狗；
        
        protected void cancelExpirationRenewal(Long threadId) { ExpirationEntry task = EXPIRATION_RENEWAL_MAP.get(getEntryName()); if (task == null) { return; } if (threadId != null) { task.removeThreadId(threadId); } if (threadId == null || task.hasNoThreads()) { Timeout timeout = task.getTimeout(); if (timeout != null) { timeout.cancel(); } EXPIRATION_RENEWAL_MAP.remove(getEntryName()); } }
        
        所谓的停止锁续约，实际就是将当前线程的threadId从看门狗缓存中移除，后续在执行锁续约时，如果发现看门狗缓存中已经没有了当前线程threadId，则直接退出锁续约并且不再延时10s开启一个定时任务。
        
        如果加锁时指定了leaseTime > 0，则不会开门狗机制，表示强制锁leaseTime 毫秒后过期。一共有三种加锁方式可以做到，如下：
        
        RLock#lock(long leaseTime, TimeUnit unit)
        RLock#tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit)
        RLock#lockInterruptibly(long leaseTime, TimeUnit unit)
        
        4）重入加锁（相同线程多次加锁）
        
        再次回到加锁的LUA脚本：
        
        同一个线程对分布式锁多次加锁时，会走以下逻辑：
        
        判断当前key是否被当前线程持有，如果是则增加锁重入的次数，并重新设置锁的过期时间为30s；
        对应的Redis命令为：
        
        hexists test_lock UUID:ThreadId hincrby test_lock UUID:ThreadId 1 pexpire test_lock 30000
        
        此时Redis中test_key对应的数据结构从
        
        test_lock : { UUID:ThreadId：1 }
        
        变成：
        
        test_lock : { UUID:ThreadId：2 }
        
        并将key的过期时间重新设置为30s。
        
        锁重入成功之后，后台也会开启⼀个watchdog后台线程做锁续约，每隔10s检查⼀下key，如果key存在就将key的过期时间重新设置为30s。
        
        Redisson可重⼊加锁的语义，实际是通过Hash结构的key中某个线程（UUID:ThreadId）对应的加锁次数来表示的。
        
        5）锁竞争（其他线程加锁失败）
        
        再再次回到加锁的LUA脚本：
        
        如果分布式锁已经被其他线程持有，LUA脚本会执行以下逻辑：
        
        返回当前key的剩余存活时间，因为不是返回nil，也就代表着加锁失败；
        对应的Redis的命令为：
        
        pttl test_lock
        
        针对加锁方式的不同，加锁失败的逻辑也不同；可以分两大类：指定了加锁失败的等待时间waitTime和未指定waitTime。
        
        未执行加锁失败的等待时间waitTime：获取分布式锁失败会一直重试，直到获取锁成功。比如下列加锁方法：
        Rlock#lock()：一直尝试获取分布式锁，直到获取锁成功。
        RLock#lockInterruptibly(long leaseTime, TimeUnit unit)
        RLock#lock(long leaseTime, TimeUnit unit)
        指定了加锁失败的等待时间waitTime：获取分布式锁会超时，超时之后返回加锁失败；
        Rlock#tryLock(long waitTime, TimeUnit unit)：指定获取锁失败的等待时间。在等待时间范围之内进行重试，超时则返回加锁失败。
        Rlock#tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit)：同样是指定获取锁失败的等待时间，并且强制指定锁过期的时间（不开启看门狗）。在等待时间范围之内进行重试，超时则返回加锁失败。
        可以简单的概述为RLock接口下的tryLock()方法获取锁会失败，lock()方法获取锁一定会成功。
        
        1> 一直重试直到加锁成功
        
        以Rlock#lock()方法为例：
        
        private void lock(long leaseTime, TimeUnit unit, boolean interruptibly) throws InterruptedException { long threadId = Thread.currentThread().getId(); Long ttl = tryAcquire(-1, leaseTime, unit, threadId); // lock acquired if (ttl == null) { return; } CompletableFuture future = subscribe(threadId); pubSub.timeout(future); RedissonLockEntry entry; if (interruptibly) { entry = commandExecutor.getInterrupted(future); } else { entry = commandExecutor.get(future); } try { while (true) { // lock() 或 lockInterruptibly()为入口走到这里时。leaseTime为-1，表示会开始开门狗；如果leaseTime大于0，则不会开启开门狗； ttl = tryAcquire(-1, leaseTime, unit, threadId); // lock acquired if (ttl == null) { break; } // waiting for message if (ttl >= 0) { try { // 因为Semaphore的可用资源为0，所以这里就等价于Thread.sleep(ttl)； entry.getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS); } catch (InterruptedException e) { if (interruptibly) { throw e; } entry.getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS); } } else { if (interruptibly) { entry.getLatch().acquire(); } else { entry.getLatch().acquireUninterruptibly(); } } } } finally { unsubscribe(entry, threadId); } }
        
        首先订阅解锁channel（命名格式：redisson_lock__channel:{keyName}），其他线程解锁后，会发布解锁的消息；这里收到消息会立即尝试获取锁；订阅解锁channel的超时时间默认为7.5s。也就说获取锁失败7.5s之内，如果其他线程释放锁，当前线程可以立即尝试获取到锁。
        
        获取锁失败之后会进⼊⼀个while死循环中：
        
        每休息锁的存活时间ttl之后，就尝试去获取锁，直到成功获取到锁才会跳出while死循环。
        
        2> 等待锁超时返回加锁失败
        
        以Rlock#tryLock(long waitTime, TimeUnit unit)为例：
        
        @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); // lock acquired if (ttl == null) { return true; } // 获取锁剩余的等待时长 time -= System.currentTimeMillis() - current; if (time <= 0) { // 获取锁超时，返回获取分布式锁失败 acquireFailed(waitTime, unit, threadId); return false; } current = System.currentTimeMillis(); CompletableFuture subscribeFuture = subscribe(threadId); try { // 订阅解锁channel的超时时长为获取锁剩余的等待时长 subscribeFuture.get(time, TimeUnit.MILLISECONDS); } catch (TimeoutException e) { if (!subscribeFuture.completeExceptionally(new RedisTimeoutException( "Unable to acquire subscription lock after " + time + "ms. " + "Try to increase 'subscriptionsPerConnection' and/or 'subscriptionConnectionPoolSize' parameters."))) { subscribeFuture.whenComplete((res, ex) -> { if (ex == null) { unsubscribe(res, threadId); } }); } acquireFailed(waitTime, unit, threadId); return false; } catch (ExecutionException e) { acquireFailed(waitTime, unit, threadId); return false; } try { // 收到解锁channel的消息之后，走到这里，再次判断获取锁等待时长是否超时 time -= System.currentTimeMillis() - current; if (time <= 0) { acquireFailed(waitTime, unit, threadId); return false; } // while循环中尝试去获取锁 while (true) { long currentTime = System.currentTimeMillis(); ttl = tryAcquire(waitTime, leaseTime, unit, threadId); // lock acquired if (ttl == null) { return true; } time -= System.currentTimeMillis() - currentTime; if (time <= 0) { acquireFailed(waitTime, unit, threadId); return false; } // waiting for message currentTime = System.currentTimeMillis(); if (ttl >= 0 && ttl < time) { // 如果获取锁失败后，锁存活时长小于剩余锁等待时长，则线程睡眠锁存活时长 commandExecutor.getNow(subscribeFuture).getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS); } else { // 如果获取锁失败后，锁存活时间大于等于剩余锁等待时长，则线程睡眠锁等待时长 commandExecutor.getNow(subscribeFuture).getLatch().tryAcquire(time, TimeUnit.MILLISECONDS); } time -= System.currentTimeMillis() - currentTime; if (time <= 0) { acquireFailed(waitTime, unit, threadId); return false; } } } finally { unsubscribe(commandExecutor.getNow(subscribeFuture), threadId); } }
        
        加锁存在超时时间相比于一直重试直到加锁成功，只是多一个时间限制，具体差异体现在：订阅解锁channel的超时时长、获取锁失败后线程的睡眠时长、重试获取锁次数的限制；
        
        获取分布式锁失败之后，立即判断当前获取锁是否超时，如果超时，则返回加锁失败；
        否者，订阅解锁channel（命名格式：redisson_lock__channel:{keyName}），其他线程解锁后，会发布解锁的消息；订阅解锁channel的超时时间为获取锁剩余的等待时长。
        在这个时间范围之内，如果其他线程释放锁，当前线程收到解锁channel的消息之后再次判断获取锁是否超时，如果不超时，尝试获取锁。
        获取锁之后会进⼊⼀个while死循环中：
        如果获取锁超时，则返回加锁失败；
        否者让线程睡眠：
        如果锁存活时长ttl 小于剩余锁等待时长，则线程睡眠锁存活时长；
        如果锁存活时间ttl 大于等于剩余锁等待时长，则线程睡眠锁等待时长；
        线程睡眠完之后，判断获取锁是否超时，不超时则尝试去获取锁。
        
        3、释放锁流程
        
        1）Client主动尝试释放锁
        
        进入到Rlock#unlock()方法；
        
        和加锁的方式⼀样，释放锁也是通过lua脚本来完成的；
        
        LUA脚本参数解析：
        
        KEYS[1] 表示的是 getName() ，代表的是锁名 test_lock；
        KEYS[2] 表示getChanelName() 表示的是发布订阅过程中使用的Chanel；
        ARGV[1] 表示的是LockPubSub.unLockMessage，解锁消息，实际代表的是数字 0，代表解锁消息；
        ARGV[2] 表示的是internalLockLeaseTime 默认的有效时间 30s；
        ARGV[3] 表示的是 getLockName(thread.currentThread().getId()) 代表的是 UUID:ThreadId 用锁对象id+线程id，表示当前访问线程，用于区分不同服务器上的线程。
        
        LUA脚本逻辑：
        
        如果锁名称不存在；
        可能是因为锁过期导致锁不存在，也可能是并发解锁。
        则发布锁解除的消息，返回1，lua脚本执行完毕；
        如果锁存在，检测当前线程是否持有锁；
        如果是当前线程持有锁，定义变量counter，接收执行incrby将该线程重入的次数–的结果；
        如果重入次数大于0，表示该线程还有其他任务需要执行；重新设置锁的过期时间；返回0，lua脚本执行完毕；
        否则表示该线程执行结束，del删除该锁；并且publish发布该锁解除的消息；返回1，lua脚本执行完毕；
        如果不是当前线程持有锁或其他情况，都返回nil，lua脚本执行完毕。
        
        脚本执行结束之后，如果返回值不是0或1，即当前线程去释放其他线程的加锁时，抛出异常。
        
        通过LUA脚本释放锁成功之后，会将看门狗杀死；
        
        2）Client主动强制释放锁
        
        forceUnlockAsync()方法被调用的地方很多，大多都是在清理资源时删除锁。
        
        @Override public RFuture forceUnlockAsync() { cancelExpirationRenewal(null); return evalWriteAsync(getRawName(), LongCodec.INSTANCE, RedisCommands.EVAL_BOOLEAN, "if (redis.call('del', KEYS[1]) == 1) then " + "redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); " + "return 1 " + "else " + "return 0 " + "end", Arrays.asList(getRawName(), getChannelName()), LockPubSub.UNLOCK_MESSAGE); }
        
        LUA脚本逻辑：
        
        逻辑比较简单粗暴：删除锁成功则并发布锁被删除的消息，返回1结束，否则返回0结束。
        3）Client宕机，锁超时释放
        
        如果Redisson客户端刚加锁成功，并且未指定releaseTime，后台会启动一个定时任务watchdog每隔10s检查key：key如果存在就为它⾃动续命到30s；在watchdog定时任务存在的情况下，如果不是主动释放锁，那么key将会⼀直的被watchdog这个定时任务维持加锁。
        
        但是如果客户端宕机了，定时任务watchdog也就没了，也就没有锁续约机制了，那么过完30s之后，key会⾃动被删除、key对应的锁也自动被释放了。
        
        4）不启动锁续约的超时释放锁
        
        如果在加锁时指定了leaseTime，加锁成功之后，后台并不会启动一个定时任务watchdog做锁续约；key存活leaseTime 毫秒之后便会自动被删除、key对应的锁也就自动被释放了；无论当前线程的业务逻辑是否执行完毕。
        
        比如使用如下方式加锁：
        
        RLock#lock(long leaseTime, TimeUnit unit)
        RLock#tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit)
        RLock#lockInterruptibly(long leaseTime, TimeUnit unit)
        
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