【分布式锁】01-使用Redisson实现可重入分布式锁原理

前言

主流的分布式锁一般有三种实现方式:

数据库乐观锁
基于Redis的分布式锁
基于ZooKeeper的分布式锁

之前我在博客上写过关于mysql和redis实现分布式锁的具体方案：
https://www.cnblogs.com/wang-meng/p/10226618.html
里面主要是从实现原理出发。

这次【分布式锁】系列文章主要是深入redis客户端reddision源码和zk 这两种分布式锁的实现原理。

可靠性

首先，为了确保分布式锁可用，我们至少要确保锁的实现同时满足以下四个条件：

互斥性。在任意时刻，只有一个客户端能持有锁。
不会发生死锁。即使有一个客户端在持有锁的期间崩溃而没有主动解锁，也能保证后续其他客户端能加锁。
具有容错性。只要大部分的Redis节点正常运行，客户端就可以加锁和解锁。
解铃还须系铃人。加锁和解锁必须是同一个客户端，客户端自己不能把别人加的锁给解了。

Redisson加锁原理

redisson是一个非常强大的开源的redis客户端框架，官方地址：
https://redisson.org/

使用起来很简单，配置好maven和连接信息，这里直接看代码实现：

RLock lock = redisson.getLock("anyLock");

lock.lock();
lock.unlock();

redisson具体的执行加锁逻辑都是通过lua脚本来完成的，lua脚本能够保证原子性。

先看下RLock初始化的代码：

public class Redisson implements RedissonClient {
    
    @Override
    public RLock getLock(String name) {
        return new RedissonLock(connectionManager.getCommandExecutor(), name);
    }
}

public class RedissonLock extends RedissonExpirable implements RLock {
    public RedissonLock(CommandAsyncExecutor commandExecutor, String name) {
    super(commandExecutor, name);
    this.commandExecutor = commandExecutor;
    this.id = commandExecutor.getConnectionManager().getId();
    this.internalLockLeaseTime = commandExecutor.getConnectionManager().getCfg().getLockWatchdogTimeout();
    this.entryName = id + ":" + name;
}

首先看下RedissonLock 的id返回的是一个UUID对象，每个机器都对应一个自己的id属性，id 值就类似于："8743c9c0-0795-4907-87fd-6c719a6b4586"

接着往后看lock()的代码实现：

public class RedissonLock extends RedissonExpirable implements RLock {
    @Override
    public void lock() {
        try {
            lockInterruptibly();
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }

    @Override
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        lockInterruptibly(-1, null);
    }

    @Override
    public void lockInterruptibly(long leaseTime, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        // 获取当前线程id
        long threadId = Thread.currentThread().getId();
        Long ttl = tryAcquire(leaseTime, unit, threadId);
        // lock acquired
        if (ttl == null) {
            return;
        }

        RFuture<RedissonLockEntry> future = subscribe(threadId);
        commandExecutor.syncSubscription(future);

        try {
            while (true) {
                ttl = tryAcquire(leaseTime, unit, threadId);
                // lock acquired
                if (ttl == null) {
                    break;
                }

                // waiting for message
                if (ttl >= 0) {
                    getEntry(threadId).getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);
                } else {
                    getEntry(threadId).getLatch().acquire();
                }
            }
        } finally {
            unsubscribe(future, threadId);
        }
    }

    <T> RFuture<T> tryLockInnerAsync(long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId, RedisStrictCommand<T> command) {
        internalLockLeaseTime = unit.toMillis(leaseTime);

        return commandExecutor.evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, command,
                  "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then " +
                      "redis.call('hset', 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.<Object>singletonList(getName()), internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));
    }
}

这里省略了一些中间代码，这里主要看tryAcquire() 方法，这里传递的过期时间为-1，然后就是当前的线程id，接着就是核心的lua脚本执行流程，我们来一步步看看是如何执行的：

"if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then " +
  "redis.call('hset', KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
  "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +
  "return nil; " +
"end; " +

KEYS[1] 参数是：“anyLock”
ARGV[2] 是：“id + ":" + threadId”

首先用的exists 判断redis中是否存在当前key，如果不存在就等于0，然后执行hset指令，将“anyLock id:threadId 1”存储到redis中，最终redis存储的数据类似于：

{
  "8743c9c0-0795-4907-87fd-6c719a6b4586:1":1
}

偷偷说一句，最后面的一个1 是为了后面可重入做的计数统计，后面会有讲解到。

接着往下看，然后使用pexpire设置过期时间，默认使用internalLockLeaseTime为30s。最后返回为null，即时加锁成功。

Redisson 可重入原理

我们看下锁key存在的情况下，同一个机器同一个线程如何加锁的？

"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]);",

ARGV[2] 是：“id + ":" + threadId”
如果同一个机器同一个线程再次来请求，这里就会是1，然后执行hincrby， hset设置的value+1 变成了2，然后继续设置过期时间。

同理，一个线程重入后，解锁时value - 1

Redisson watchDog原理

如果一个场景：现在有A，B在执行业务，A加了分布式锁，但是生产环境是各种变化的，如果万一A锁超时了，但是A的业务还在跑。而这时由于A锁超时释放，B拿到锁，B执行业务逻辑。这样分布式锁就失去了意义？

所以Redisson 引入了watch dog的概念，当A获取到锁执行后，如果锁没过期，有个后台线程会自动延长锁的过期时间，防止因为业务没有执行完而锁过期的情况。

我们接着来看看具体实现：

private <T> RFuture<Long> tryAcquireAsync(long leaseTime, TimeUnit unit, final long threadId) {
    if (leaseTime != -1) {
        return tryLockInnerAsync(leaseTime, unit, threadId, RedisCommands.EVAL_LONG);
    }
    RFuture<Long> ttlRemainingFuture = tryLockInnerAsync(commandExecutor.getConnectionManager().getCfg().getLockWatchdogTimeout(), TimeUnit.MILLISECONDS, threadId, RedisCommands.EVAL_LONG);
    ttlRemainingFuture.addListener(new FutureListener<Long>() {
        @Override
        public void operationComplete(Future<Long> future) throws Exception {
            if (!future.isSuccess()) {
                return;
            }

            Long ttlRemaining = future.getNow();
            // lock acquired
            if (ttlRemaining == null) {
                scheduleExpirationRenewal(threadId);
            }
        }
    });
    return ttlRemainingFuture;
}

当我们tryLockInnerAsync执行完之后，会添加一个监听器，看看监听器中的具体实现：

protected RFuture<Boolean> renewExpirationAsync(long threadId) {
    return commandExecutor.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.<Object>singletonList(getName()), 
        internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));
}

这里面调度任务每隔10s钟执行一次，lua脚本中是续约过期时间，使得当前线程持有的锁不会因为过期时间到了而失效

01_redisson watchdog_.png

Redisson 互斥性原理

还是看上面执行加锁的lua脚本，最后会执行到：

"return redis.call('pttl', KEYS[1]);",

返回锁还有多久时间过期，我们继续接着看代码：

@Override
public void lockInterruptibly(long leaseTime, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    long threadId = Thread.currentThread().getId();
    Long ttl = tryAcquire(leaseTime, unit, threadId);
    // 返回ttl说明加锁成功，不为空则是加锁失败
    if (ttl == null) {
        return;
    }

    RFuture<RedissonLockEntry> future = subscribe(threadId);
    commandExecutor.syncSubscription(future);

    try {
        // 死循环去尝试获取锁
        while (true) {
            // 再次尝试加锁
            ttl = tryAcquire(leaseTime, unit, threadId);
            // 如果ttl=null说明抢占锁成功
            if (ttl == null) {
                break;
            }

            // ttl 大于0，抢占锁失败，这个里面涉及到Semaphore，后续会讲解
            if (ttl >= 0) {
                getEntry(threadId).getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);
            } else {
                getEntry(threadId).getLatch().acquire();
            }
        }
    } finally {
        unsubscribe(future, threadId);
    }
}

Redisson锁释放原理

直接看lua代码：

protected RFuture<Boolean> unlockInnerAsync(long threadId) {
    return commandExecutor.evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, RedisCommands.EVAL_BOOLEAN,
        // 判断锁key值是否存在
        "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then " +
            "redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); " +
            "return 1; " +
        "end;" +
        // 判断当前机器、当前线程id对应的key是否存在
        "if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[3]) == 0) then " +
            "return nil;" +
        "end; " +
        // 计数器数量-1 可重入锁
        "local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[3], -1); " +
        // 如果计数器大于0，说明还在持有锁
        "if (counter > 0) then " +
            "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]); " +
            "return 0; " +
        "else " +
            // 使用del指令删除key
            "redis.call('del', KEYS[1]); " +
            "redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); " +
            "return 1; "+
        "end; " +
        "return nil;",
        Arrays.<Object>asList(getName(), getChannelName()), LockPubSub.unlockMessage, internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));
}

总结

一图总结：

01_redission 可重入锁实现原理.jpg

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