详解Java如何实现基于Redis的分布式锁

 更新时间:2016年08月29日 11:50:50   投稿:daisy   我要评论
在不同进程需要互斥地访问共享资源时,分布式锁是一种非常有用的技术手段。这篇文章运用图文和实例代码介绍了Java如何实现基于Redis的分布式锁,文章介绍的很详细,对Java和Redis刚兴趣的朋友们可以参考借鉴,下面来一起看看。

前言

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看看原理,看懂了之后看代码应该就容易理解了。

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)

package cc.lixiaohui.lock;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public interface Lock {

 /**
 * 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���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;
 
}

看其抽象实现:

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,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:

package cc.lixiaohui.lock;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

import redis.clients.jedis.Jedis;

/**
 * <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;
 
 // 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) {
 this.jedis = jedis;
 this.lockKey = lockKey;
 this.lockExpires = lockExpires;
 }

 // 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;
 }
 
 long start = System.currentTimeMillis;
 long timeout = unit.toMillis(time); // if !useTimeout, then it's useless
 
 while (useTimeout ? isTimeout(start, timeout) : true) {
 if (interrupt) {
 checkInterruption;
 }
 
 long lockExpireTime = System.currentTimeMillis + 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 = System.currentTimeMillis + 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;
 }
 }

 private void checkInterruption throws InterruptedException {
 if(Thread.currentThread.isInterrupted) {
 throw new InterruptedException;
 }
 }
 
 private boolean isTimeExpired(String value) {
 return Long.parseLong(value) < System.currentTimeMillis;
 }
 
 private boolean isTimeout(long start, long timeout) {
 return start + timeout > System.currentTimeMillis;
 }
 
 private void doUnlock {
 jedis.del(lockKey);
 }

}

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:

package cc.lixiaohui.lock;

import java.math.BigInteger;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 模拟ID生成 
 * @author lixiaohui
 *
 */
public class IDGenerator {

 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
 return getAndIncrement0;
 } finally {
 lock.unlock;
 }
 }
 return null;
 //return getAndIncrement0;
 }

 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IDset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:

package cc.lixiaohui.DistributedLock.DistributedLock;

import java.util.HashSet;
import java.util.Set;

import org.junit.Test;

import redis.clients.jedis.Jedis;
import cc.lixiaohui.lock.IDGenerator;
import cc.lixiaohui.lock.Lock;
import cc.lixiaohui.lock.RedisBasedDistributedLock;

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 test throws InterruptedException {
 Jedis jedis1 = new Jedis("localhost", 6379);
 Lock lock1 = new RedisBasedDistributedLock(jedis1, LOCK_KEY, LOCK_EXPIRE);
 IDGenerator g1 = new IDGenerator(lock1);
 IDConsumeMission consume1 = new IDConsumeMission(g1, "consume1");
 
 Jedis jedis2 = new Jedis("localhost", 6379);
 Lock lock2 = new RedisBasedDistributedLock(jedis2, LOCK_KEY, LOCK_EXPIRE);
 IDGenerator g2 = new IDGenerator(lock2);
 IDConsumeMission consume2 = new IDConsumeMission(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
 
 IDConsumeMission.stop;
 
 t1.join;
 t2.join;
 }
 
 static String time {
 return String.valueOf(System.currentTimeMillis / 1000);
 }
 
 static class IDConsumeMission implements Runnable {

 private IDGenerator idGenerator;
 
 private String name;
 
 private static volatile boolean stop;
 
 public IDConsumeMission(IDGenerator idGenerator, String name) {
 this.idGenerator = idGenerator;
 this.name = name;
 }
 
 public static void stop {
 stop = true;
 }
 
 public void run {
 System.out.println(time + ": consume " + name + " start ");
 while (!stop) {
 String id = idGenerator.getAndIncrement;
 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);
 }
 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:

IDGererator没有加锁(即IDGereratorgetAndIncrement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:

结束语

好了,以上就是Java实现基于Redis的分布式锁的全部内容,各位如果发现问题希望能指正,希望这篇文章能对大家的学习和工作带来一定的帮助,如果有疑问可以留言交流。

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