关于redis:R2M分布式锁原理及实践

作者：京东科技张石磊

名词简介：

资源：能够了解为一条内容，或者图 + 文字 + 链接的载体。

档位 ID: 资源的分类组，资源必须归属于档位。

问题形容：当同一个档位下 2 条资源同时审批通过时，收到擎天审批零碎 2 条音讯，消费者利用部署了 2 台机器，此时正好由 2 台机器别离生产，在并发生产时，先更新资源状态，而后写缓存，每次取前 100 条资源，相似 select * from resource where gear_id=xxx limit 100 order by id desc;

在写档位缓存，此时事务未提交，并发查问时依据档位 Id 查问时查问不到对方的数据，全量写缓存时导致后写的缓存笼罩了先写的缓存，即缓存被笼罩，导致投放资源缺失。

计划思考：

计划 1：一台机器生产 mq–单点问题

计划 2：将同档位 ID 的资源路由到同一个 queue, 须要审批零碎配合依据档位 Id 做路由，审批零碎发的音讯不只是 cms 审批数据，此计划不实用。

计划 3：在档位级别加分布式锁。

经比拟，最终采纳计划 3 是适合的计划.

synchronized 锁的粒度是 JVM 过程维度，集群模式下，不能对共享资源加锁，此时须要跨 JVM 过程的分布式锁。

分布式锁形式外围实现形式长处毛病剖析

1 数据库：

乐观锁，lock

乐观锁，通过版本号实现 version

实现简略，不依赖中间件

数据库 IO 瓶颈，性能差

单实例存在单点问题，主从架构存在数据不统一，主从切换时其余客户端可反复加锁。

2 zookeeper

创立长期节点

CP 模型，可靠性高，不存在主从切换不统一问题

频繁创立和销毁长期节点，且

集群模式下，leader 数据须要同步到 follower 才算加锁胜利，性能不如 redis

主从切换服务不可用

3 redis 集群

setnx+expire

性能高

有封装好的框架 redission

反对超时主动删除锁

集群反对高可用，AP 模型

主从切换时其余客户端可反复加锁。

R2M 是基于开源的 Redis cluster(Redis 3.0 以上版本) 构建的高性能分布式缓存零碎，咱们零碎始终在应用，3.2.5 版本开始反对分布式锁。

示例代码：

String lockKey = CacheKeyHelper.getGearLockKey(EnvEnum.getEnvFlagEnum(envCode),resource.getGearId());

R2mLock lock = (R2mLock) r2mClusterClient.getLock(lockKey);

// 获取锁，锁的默认有效期 30s, 获取不到锁就阻塞

lock.lock();

try {

    // 业务代码

    resourceService.afterApprovedHandle(resource);

}  finally {

    // 开释锁

    lock.unlock();}

加锁流程图：

1）：尝试获取锁，通过执行加锁 Lua 脚本来做；

2）：若第一步未获取到锁，则去 redis 订阅解锁音讯

3）：一旦持有锁的线程开释了锁，就会播送解锁音讯，其余线程自旋从新尝试获取锁。

外围加锁原理：应用 lua 脚本封装了 hset 和 pexpire 命令，保障是一个原子操作，KEYS[1] 是加锁的 key,argv[2] 是加锁的客户端 ID(UUID+ 线程 ID),ARGV[1] 是锁的有效期，默认 30s.

private Object acquireInternal(List<String> args) {if (!this.setLocked() && this.getHolderId() != Thread.currentThread().getId()) {return -1L;} else {

try {

//hash 构造，hash 的 key 是加锁的 key, 键值对的 key 为客户端的 UUID+ 线程 id,value 为锁的重入计数器值。return this.lockSha() != null ? this.executor.evalR2mLockSha(this.lockSha(),

"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 -2;", Collections.singletonList(this.lockName), args) : this.executor. == 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 -2;", Collections.singletonList(this.lockName), args);

} catch (Exception var3) {this.setUnlocked();

throw new R2mLockException("Failed to acquire lock" + this.lockName + ".", var3);

}

}

}

args 参数

private List<String> acquireArgs(long leaseTime) {List<String> args = new ArrayList();

        if (leaseTime != -1L) {args.add(String.valueOf(leaseTime));

        } else {

             // 默认 30s

            args.add(String.valueOf(this.internalLockLeaseTime()));

        }

        //UUID+ 以后线程 id

        args.add(this.currentThreadLockId(Thread.currentThread().getId()));

        return args;

    }

获取锁失败订阅锁的 channel

// 获取锁失败，订阅开释锁的音讯

 private boolean failedAcquire() {this.subLock();

            return false;

        }

 

 private void subLock() {CompletableFuture<Void> cf = R2mLock.this.executor.lockSubscribe(R2mLock.this.lockPubSub(), R2mLock.this.getLockChannelName(), R2mLock.this);

            if (cf != null) {cf.handleAsync(this::reSubIfEx);

            }

 

        }

锁开释后，订阅者通过自旋尝试获取锁。

//tryAcquire 获取锁，！tryAcquire 就是获取锁失败，锁开释后，告诉线程唤醒后返回 false, 而后通过自旋，尝试获取锁，public final void acquire(long arg) {if (!tryAcquire(arg) &&

            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))

            selfInterrupt();}

 

 final boolean acquireQueued(final Node node, long arg) {

        boolean failed = true;

        try {

            boolean interrupted = false;

            // 外部自旋获取锁

            for (;;) {final Node p = node.predecessor();

                if (p == head && tryAcquire(arg)) {setHead(node);

                    p.next = null; // help GC

                    failed = false;

                    return interrupted;

                }

                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&

                    parkAndCheckInterrupt())

                    interrupted = true;

            }

        } finally {if (failed)

                cancelAcquire(node);

        }

    }

1）删除分布式锁 key（如果可重入锁计数为 0）

发开释锁的播送音讯

3）勾销 watchdog

private Object unlockInternal(List<String> args) {logger.debug("{} trying to unlock.", Thread.currentThread().getId());

 

        Object var2;

        try {

     // 判断锁 key 是否存在，如果存在，而后递加 hash 的 value 值，当 value 值为 0 时再删除锁 key，并且播送开释锁的音讯

            if (this.unlockSha() == null) {var2 = this.executor. == 0) then return nil;end; local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[3], -1); if (counter > 0) then return 0; else redis.call('del', KEYS[1]); redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); return 1; end; return nil;", Arrays.asList(this.lockName, this.getLockChannelName()), args);

                return var2;

            }

 

            var2 = this.executor.evalR2mLockSha(this.unlockSha(), "if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[3]) == 0) then return nil;end; local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[3], -1); if (counter > 0) then return 0; else redis.call('del', KEYS[1]); redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); return 1; end; return nil;", Arrays.asList(this.lockName, this.getLockChannelName()), args);

        } catch (Exception var6) {throw new R2mLockException("Failed to unlock" + this.lockName + ".", var6);

        } finally {this.finalizeRelease();

        }

 

        return var2;

    }

 

// 勾销以后线程的 watchdog

 private void finalizeRelease() {long threadId = Thread.currentThread().getId();

        R2mLock.ExpirableEntry entry = (R2mLock.ExpirableEntry)this.entryCache.get(threadId);

        if (entry != null) {entry.release(threadId);

            if (entry.isReleased()) {

                // 勾销这个线程 watchdog 定时工作

                entry.getExtTask().cancel();

                this.expEntry.compareAndSet(entry, (Object)null);

                // 从缓存 watchdog 线程的 map 中删除该线程

                this.entryCache.remove(threadId);

            }

        }

 

    }

1 业务没执行完，锁超时过期怎么办？

客户端加锁默认有效期 30s，超过有效期后如果业务没执行完，还须要持有这把锁，r2m 客户端提供了续期机制，也就是 watchdog 机制。

watchdog 原理：客户端线程维度（UUID+ 线程 ID, 客户端保护一个 MAP,key 就是 UUID+ 线程 ID）的后盾定时线程，获取锁胜利后，如果客户端还持有以后锁，每隔 10s(this.internalLockLeaseTime() / 3L)，去缩短锁的有效期（internalLockLeaseTime）

//watchdog 外围机制，internalLockLeaseTime 默认 30s

private void extendLock(long holderId) {if (this.expEntry.get() != null) {R2mLock.ExpirableEntry holderEntry = (R2mLock.ExpirableEntry)this.entryCache.get(holderId);

            if (holderEntry != null) {

                 // 每隔 10s, 如果以后线程持有锁，则续期 30s

                if (this.expEntry.compareAndSet(holderEntry, holderEntry)) {Timeout task = this.timer().newTimeout((timeout) -> {if (this.extendLockInternal(holderId)) {this.extendLock(holderId);

                        }

 

                    }, this.internalLockLeaseTime() / 3L, TimeUnit.MILLISECONDS);

                    if (this.expEntry.get() != null) {((R2mLock.ExpirableEntry)this.expEntry.get()).setExtTask(task);

                    }

                }

 

            }

        }

    }

 

 // 执行续期 lua 脚本

 private boolean extendLockInternal(long threadId) {

        Object result;

        try {

           // 只续期

            if (this.extendLockSha() != null) {result = this.executor.evalR2mLockSha(this.extendLockSha(), "if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); return 1; end; return 0;", Collections.singletonList(this.lockName), this.extendLockArgs(threadId));

            } else {result = this.executor. == 1) then redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); return 1; end; return 0;", Collections.singletonList(this.lockName), this.extendLockArgs(threadId));

            }

        } catch (Exception var5) {return false;}

 

        return Long.parseLong(result.toString()) == 1L;

    }

2 客户端宕机，锁如何开释？

分布式锁是有效期的，客户端宕机后，watchdog 机制生效，锁过期主动生效。

3 redis 分布式锁集群模式下缺点

r2m 集群模式，极其状况，master 加锁胜利，宕机，还未来得及同步到 slave, 主从切换，slave 切换成 master, 能够持续加锁，对于非及其严格加锁场景，该计划可满足，属于 AP；对于严格场景下的分布式锁，可采纳基于 zookeeper 的分布式锁，属于 CP，leader 宕机，folllower 选举时不可用。性能上 redis 更优。

4 锁的开释问题

留神锁的开释在 finally 中开释，必须由锁的持有者开释，不能由其余线程开释他人的锁，示例代码中 lock 放到 try 的里面。

关于redis:R2M分布式锁原理及实践

1 案例引入

2 锁阐明和分布式锁抉择

3 r2m 分布式锁原理

1 加锁外围流程：

2 开释锁外围逻辑：

3 锁的健壮性思考