[置顶] Java实现基于Redis的分布式锁
2016-09-27 15:23
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Java实现基于Redis的分布式锁
单JVM内同步好办， 直接用JDK提供的锁就可以了，但是跨进程同步靠这个肯定是不可能的，这种情况下肯定要借助第三方，我这里实现用Redis，当然还有很多其他的实现方式。其实基于Redis实现的原理还算比较简单的，在看代码之前建议大家先去这里看看原理，我就不翻译了，免得变味了，看懂了之后看代码应该就容易理解了。时间统一问题：各个客户端加锁时需要获取时间，而这个时间都不应当从本地获取，因为各个客户端的时间并不是一致的，因此需要提供一个TimeServer提供获取时间的服务，下面源码中用到的关于时间服务
4000
的三个类(包括TimeServer、TimeClient和Time Client Exception)会在另一篇博客《Java
NIO时间服务》给源码.
我这里不实现JDK的java.util.concurrent.locks.Lock接口，而是自定义一个，因为JDK的有个newCondition()方法我这里暂时没实现。这个Lock提供了5个lock方法的变体，可以自行选择使用哪一个来获取锁，我的想法是
最好用带超时返回的那几个方法，因为不这样的话，假如redis挂了，线程永远都在那死循环了(关于这里，应该还可以进一步优化，如果redis挂了，Jedis的操作肯定会抛异常之类的，可以定义个机制让redis挂了的时候通知使用这个lock的用户，或者说是线程)。
Java代码
package cc.lixiaohui.lock;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public interface Lock extends Releasable{
/**
* 阻塞性的获取锁, 不响应中断
*/
void lock();
/**
* 阻塞性的获取锁, 响应中断
*
* @throws InterruptedException
*/
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
/**
* 尝试获取锁, 获取不到立即返回, 不阻塞
*/
boolean tryLock();
/**
* 超时自动返回的阻塞性的获取锁, 不响应中断
*
* @param time
* @param unit
* @return {@code true} 若成功获取到锁, {@code false} 若在指定时间内未获取到锁
*
*/
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit);
/**
* 超时自动返回的阻塞性的获取锁, 响应中断
*
* @param time
* @param unit
* @return {@code true} 若成功获取到锁, {@code false} 若在指定时间内未获取到锁
* @throws InterruptedException 在尝试获取锁的当前线程被中断
*/
boolean tryLockInterruptibly(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
/**
* 释放锁
*/
void unlock();
}
Releasable.java :
Java代码
package cc.lixiaohui.lock;
/**
* 代表持有资源的对象, 例如
* <ul>
* <li> 基于jedis的锁自然持有与redis server的连接 </li>
* <li> 基于时间统一的的锁自然持有与time server的连接</li>
* </ul>
* 因此锁应该实现该接口, 并在{@link Releasable#resease() release} 方法中释放相关的连接
*
* @author lixiaohui
*
*/
public interface Releasable {
/**
* 释放持有的所有资源
*/
void release();
}
看Lock的抽象实现：
Java代码
package cc.lixiaohui.lock;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* 锁的骨架实现, 真正的获取锁的步骤由子类去实现.
*
* @author lixiaohui
*
*/
public abstract class AbstractLock implements Lock {
/**
* <pre>
* 这里需不需要保证可见性值得讨论, 因为是分布式的锁,
* 1.同一个jvm的多个线程使用不同的锁对象其实也是可以的, 这种情况下不需要保证可见性
* 2.同一个jvm的多个线程使用同一个锁对象, 那可见性就必须要保证了.
* </pre>
*/
protected volatile boolean locked;
/**
* 当前jvm内持有该锁的线程(if have one)
*/
private Thread exclusiveOwnerThread;
public void lock() {
try {
lock(false, 0, null, false);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO ignore
}
}
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
lock(false, 0, null, true);
}
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) {
try {
return lock(true, time, unit, false);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO ignore
}
return false;
}
public boolean tryLockInterruptibly(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
return lock(true, time, unit, true);
}
public void unlock() {
// TODO 检查当前线程是否持有锁
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) {
throw new IllegalMonitorStateException("current thread does not hold the lock");
}
unlock0();
setExclusiveOwnerThread(null);
}
protected void setExclusiveOwnerThread(Thread thread) {
exclusiveOwnerThread = thread;
}
protected final Thread getExclusiveOwnerThread() {
return exclusiveOwnerThread;
}
protected abstract void unlock0();
/**
* 阻塞式获取锁的实现
*
* @param useTimeout
* @param time
* @param unit
* @param interrupt 是否响应中断
* @return
* @throws InterruptedException
*/
protected abstract boolean lock(boolean useTimeout, long time, TimeUnit unit, boolean interrupt) throws InterruptedException;
}
基于Redis的最终实现(not reentrant)，关键的获取锁，释放锁的代码在这个类的lock方法和unlock0方法里，大家可以只看这两个方法然后完全自己写一个：
Java代码
package cc.lixiaohui.lock;
import java.io.IOException;
import java.net.SocketAddress;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import redis.clients.jedis.Jedis;
import cc.lixiaohui.lock.time.nio.client.TimeClient;
/**
* <pre>
* 基于Redis的SETNX操作实现的分布式锁
*
* 获取锁时最好用lock(long time, TimeUnit unit), 以免网路问题而导致线程一直阻塞
*
* <a href="http://redis.io/commands/setnx">SETNC操作参考资料</a>
* </pre>
*
* @author lixiaohui
*
*/
public class RedisBasedDistributedLock extends AbstractLock {
private Jedis jedis;
private TimeClient timeClient;
// 锁的名字
protected String lockKey;
// 锁的有效时长(毫秒)
protected long lockExpires;
public RedisBasedDistributedLock(Jedis jedis, String lockKey, long lockExpires, SocketAddress timeServerAddr) throws IOException {
this.jedis = jedis;
this.lockKey = lockKey;
this.lockExpires = lockExpires;
timeClient = new TimeClient(timeServerAddr);
}
// 阻塞式获取锁的实现
protected boolean lock(boolean useTimeout, long time, TimeUnit unit, boolean interrupt) throws InterruptedException{
if (interrupt) {
checkInterruption();
}
// 超时控制 的时间可以从本地获取, 因为这个和锁超时没有关系, 只是一段时间区间的控制
long start = localTimeMillis();
long timeout = unit.toMillis(time); // if !useTimeout, then it's useless
while (useTimeout ? isTimeout(start, timeout) : true) {
if (interrupt) {
checkInterruption();
}
long lockExpireTime = serverTimeMillis() + lockExpires + 1;//锁超时时间
String stringOfLockExpireTime = String.valueOf(lockExpireTime);
if (jedis.setnx(lockKey, stringOfLockExpireTime) == 1) { // 获取到锁
// TODO 成功获取到锁, 设置相关标识
locked = true;
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
String value = jedis.get(lockKey);
if (value != null && isTimeExpired(value)) { // lock is expired
// 假设多个线程(非单jvm)同时走到这里
String oldValue = jedis.getSet(lockKey, stringOfLockExpireTime); // getset is atomic
// 但是走到这里时每个线程拿到的oldValue肯定不可能一样(因为getset是原子性的)
// 加入拿到的oldValue依然是expired的，那么就说明拿到锁了
if (oldValue != null && isTimeExpired(oldValue)) {
// TODO 成功获取到锁, 设置相关标识
locked = true;
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
} else {
// TODO lock is not expired, enter next loop retrying
}
}
return false;
}
public boolean tryLock() {
long lockExpireTime = serverTimeMillis() + lockExpires + 1;//锁超时时间
String stringOfLockExpireTime = String.valueOf(lockExpireTime);
if (jedis.setnx(lockKey, stringOfLockExpireTime) == 1) { // 获取到锁
// TODO 成功获取到锁, 设置相关标识
locked = true;
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
String value = jedis.get(lockKey);
if (value != null && isTimeExpired(value)) { // lock is expired
// 假设多个线程(非单jvm)同时走到这里
String oldValue = jedis.getSet(lockKey, stringOfLockExpireTime); // getset is atomic
// 但是走到这里时每个线程拿到的oldValue肯定不可能一样(因为getset是原子性的)
// 假如拿到的oldValue依然是expired的，那么就说明拿到锁了
if (oldValue != null && isTimeExpired(oldValue)) {
// TODO 成功获取到锁, 设置相关标识
locked = true;
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
} else {
// TODO lock is not expired, enter next loop retrying
}
return false;
}
/**
* Queries if this lock is held by any thread.
*
* @return {@code true} if any thread holds this lock and
* {@code false} otherwise
*/
public boolean isLocked() {
if (locked) {
return true;
} else {
String value = jedis.get(lockKey);
// TODO 这里其实是有问题的, 想:当get方法返回value后, 假设这个value已经是过期的了,
// 而就在这瞬间, 另一个节点set了value, 这时锁是被别的线程(节点持有), 而接下来的判断
// 是检测不出这种情况的.不过这个问题应该不会导致其它的问题出现, 因为这个方法的目的本来就
// 不是同步控制, 它只是一种锁状态的报告.
return !isTimeExpired(value);
}
}
@Override
protected void unlock0() {
// TODO 判断锁是否过期
String value = jedis.get(lockKey);
if (!isTimeExpired(value)) {
doUnlock();
}
}
public void release() {
jedis.close();
timeClient.close();
}
private void doUnlock() {
jedis.del(lockKey);
}
private void checkInterruption() throws InterruptedException {
if(Thread.currentThread().isInterrupted()) {
throw new InterruptedException();
}
}
private boolean isTimeExpired(String value) {
// 这里拿服务器的时间来比较
return Long.parseLong(value) < serverTimeMillis();
}
private boolean isTimeout(long start, long timeout) {
// 这里拿本地的时间来比较
return start + timeout > System.currentTimeMillis();
}
private long serverTimeMillis(){
return timeClient.currentTimeMillis();
}
private long localTimeMillis() {
return System.currentTimeMillis();
}
}
如果将来还换一种实现方式（比如zookeeper之类的），到时直接继承AbstractLock并实现lock(boolean useTimeout, long time, TimeUnit unit, boolean interrupt)， unlock0()方法即可(所谓抽象嘛)
测试
模拟全局ID增长器，设计一个IDGenerator类，该类负责生成全局递增ID，其代码如下：
Java代码
package cc.lixiaohui.lock.example;
import java.math.BigInteger;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import cc.lixiaohui.lock.Lock;
import cc.lixiaohui.lock.Releasable;
/**
* 模拟分布式环境中的ID生成
* @author lixiaohui
*
*/
public class IDGenerator implements Releasable{
private static BigInteger id = BigInteger.valueOf(0);
private final Lock lock;
private static final BigInteger INCREMENT = BigInteger.valueOf(1);
public IDGenerator(Lock lock) {
this.lock = lock;
}
public String getAndIncrement() {
if (lock.tryLock(3, TimeUnit.SECONDS)) {
try {
// TODO 这里获取到锁, 访问临界区资源
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get lock");
return getAndIncrement0();
} finally {
lock.unlock();
}
}
return null;
//return getAndIncrement0();
}
public void release() {
lock.release();
}
private String getAndIncrement0() {
String s = id.toString();
id = id.add(INCREMENT);
return s;
}
}
测试主逻辑：同一个JVM内开两个线程死循环地（循环之间无间隔，有的话测试就没意义了）获取ID（我这里并不是死循环而是跑20s），获取到ID存到同一个Set里面，在存之前先检查该ID在set中是否存在，如果已存在，则让两个线程都停止。如果程序能正常跑完20s，那么说明这个分布式锁还算可以满足要求，如此测试的效果应该和不同JVM(也就是真正的分布式环境中)测试的效果是一样的，下面是测试类的代码：
Java代码
package cc.lixiaohui.DistributedLock.DistributedLock;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.SocketAddress;
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;
import org.junit.Test;
import redis.clients.jedis.Jedis;
import cc.lixiaohui.lock.Lock;
import cc.lixiaohui.lock.RedisBasedDistributedLockV0_0;
import cc.lixiaohui.lock.RedisBasedDistributedLock;
import cc.lixiaohui.lock.example.IDGenerator;
public class IDGeneratorTest {
private static Set<String> generatedIds = new HashSet<String>();
private static final String LOCK_KEY = "lock.lock";
private static final long LOCK_EXPIRE = 5 * 1000;
@Test
public void testV1_0() throws Exception {
SocketAddress addr = new InetSocketAddress("localhost", 9999);
Jedis jedis1 = new Jedis("localhost", 6379);
Lock lock1 = new RedisBasedDistributedLock(jedis1, LOCK_KEY, LOCK_EXPIRE, addr);
IDGenerator g1 = new IDGenerator(lock1);
IDConsumeTask consume1 = new IDConsumeTask(g1, "consume1");
Jedis jedis2 = new Jedis("localhost", 6379);
Lock lock2 = new RedisBasedDistributedLock(jedis2, LOCK_KEY, LOCK_EXPIRE, addr);
IDGenerator g2 = new IDGenerator(lock2);
IDConsumeTask consume2 = new IDConsumeTask(g2, "consume2");
Thread t1 = new Thread(consume1);
Thread t2 = new Thread(consume2);
t1.start();
t2.start();
Thread.sleep(20 * 1000); //让两个线程跑20秒
IDConsumeTask.stopAll();
t1.join();
t2.join();
}
static String time() {
return String.valueOf(System.currentTimeMillis() / 1000);
}
static class IDConsumeTask implements Runnable {
private IDGenerator idGenerator;
private String name;
private static volatile boolean stop;
public IDConsumeTask(IDGenerator idGenerator, String name) {
this.idGenerator = idGenerator;
this.name = name;
}
public static void stopAll() {
stop = true;
}
public void run() {
System.out.println(time() + ": consume " + name + " start ");
while (!stop) {
String id = idGenerator.getAndIncrement();
if (id != null) {
if(generatedIds.contains(id)) {
System.out.println(time() + ": duplicate id generated, id = " + id);
stop = true;
continue;
}
generatedIds.add(id);
System.out.println(time() + ": consume " + name + " add id = " + id);
}
}
// 释放资源
idGenerator.release();
System.out.println(time() + ": consume " + name + " done ");
}
}
}
说明一点，我这里停止两个线程的方式并不是很好，我是为了方便才这么做的，因为只是测试，最好不要这么做。
测试结果
跑20s打印的东西太多，前面打印的被clear了，只有差不多跑完的时候才有，下面截图。说明了这个锁能正常工作：
当IDGererator没有加锁(即IDGererator的getAndIncrement方法内部获取id时不上锁)时,测试是不通过的，非常大的概率中途就会停止，下面是不加锁时的测试结果:
这个1秒都不到：
这个也1秒都不到：
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