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Java并发:分布式锁

[日期:2015-01-15] 来源:Linux社区  作者:朴海林 [字体: ]

Redis有一系列的命令,特点是以NX结尾,NX是Not eXists的缩写,如SETNX命令就应该理解为:SET if Not eXists。这系列的命令非常有用,这里讲使用SETNX来实现分布式锁。

用SETNX实现分布式锁
利用SETNX非常简单地实现分布式锁。例如:某客户端要获得一个名字foo的锁,客户端使用下面的命令进行获取:
SETNX lock.foo <current Unix time + lock timeout + 1>

  • 如返回1,则该客户端获得锁,把lock.foo的键值设置为时间值表示该键已被锁定,该客户端最后可以通过DEL lock.foo来释放该锁。
  • 如返回0,表明该锁已被其他客户端取得,这时我们可以先返回或进行重试等对方完成或等待锁超时。

解决死锁
上面的锁定逻辑有一个问题:如果一个持有锁的客户端失败或崩溃了不能释放锁,该怎么解决?我们可以通过锁的键对应的时间戳来判断这种情况是否发生了,如果当前的时间已经大于lock.foo的值,说明该锁已失效,可以被重新使用。

发生这种情况时,可不能简单的通过DEL来删除锁,然后再SETNX一次,当多个客户端检测到锁超时后都会尝试去释放它,这里就可能出现一个竞态条件,让我们模拟一下这个场景:

C0操作超时了,但它还持有着锁,C1和C2读取lock.foo检查时间戳,先后发现超时了。
C1 发送DEL lock.foo
C1 发送SETNX lock.foo 并且成功了。
C2 发送DEL lock.foo
C2 发送SETNX lock.foo 并且成功了。
这样一来,C1,C2都拿到了锁!问题大了!

幸好这种问题是可以避免的,让我们来看看C3这个客户端是怎样做的:

C3发送SETNX lock.foo 想要获得锁,由于C0还持有锁,所以Redis返回给C3一个0
C3发送GET lock.foo 以检查锁是否超时了,如果没超时,则等待或重试。
反之,如果已超时,C3通过下面的操作来尝试获得锁:
GETSET lock.foo <current Unix time + lock timeout + 1>
通过GETSET,C3拿到的时间戳如果仍然是超时的,那就说明,C3如愿以偿拿到锁了。
如果在C3之前,有个叫C4的客户端比C3快一步执行了上面的操作,那么C3拿到的时间戳是个未超时的值,这时,C3没有如期获得锁,需要再次等待或重试。留意一下,尽管C3没拿到锁,但它改写了C4设置的锁的超时值,不过这一点非常微小的误差带来的影响可以忽略不计。

注意:为了让分布式锁的算法更稳键些,持有锁的客户端在解锁之前应该再检查一次自己的锁是否已经超时,再去做DEL操作,因为可能客户端因为某个耗时的操作而挂起,操作完的时候锁因为超时已经被别人获得,这时就不必解锁了。

示例伪代码
根据上面的代码,我写了一小段Fake代码来描述使用分布式锁的全过程:
# get lock
lock = 0
while lock != 1:
    timestamp = current Unix time + lock timeout + 1
    lock = SETNX lock.foo timestamp
    if lock == 1 or (now() > (GET lock.foo) and now() > (GETSET lock.foo timestamp)):
        break;
    else:
        sleep(10ms)

# do your job
do_job()

# release
if now() < GET lock.foo:
    DEL lock.foo
是的,要想这段逻辑可以重用,使用Python的你马上就想到了Decorator,而用Java的你是不是也想到了那谁?AOP + annotation?行,怎样舒服怎样用吧,别重复代码就行。

java之jedis实现
expireMsecs 锁持有超时,防止线程在入锁以后,无限的执行下去,让锁无法释放
timeoutMsecs 锁等待超时,防止线程饥饿,永远没有入锁执行代码的机会

    /**
    * Acquire lock.
    *
    * @param jedis
    * @return true if lock is acquired, false acquire timeouted
    * @throws InterruptedException
    *            in case of thread interruption
    */
    public synchronized boolean acquire(Jedis jedis) throws InterruptedException {
        int timeout = timeoutMsecs;
        while (timeout >= 0) {
            long expires = System.currentTimeMillis() + expireMsecs + 1;
            String expiresStr = String.valueOf(expires); //锁到期时间

            if (jedis.setnx(lockKey, expiresStr) == 1) {
                // lock acquired
                locked = true;
                return true;
            }

            String currentValueStr = jedis.get(lockKey); //redis里的时间
            if (currentValueStr != null && Long.parseLong(currentValueStr) < System.currentTimeMillis()) {
                //判断是否为空,不为空的情况下,如果被其他线程设置了值,则第二个条件判断是过不去的
                // lock is expired

                String oldValueStr = jedis.getSet(lockKey, expiresStr);
                //获取上一个锁到期时间,并设置现在的锁到期时间,
                //只有一个线程才能获取上一个线上的设置时间,因为jedis.getSet是同步的
                if (oldValueStr != null && oldValueStr.equals(currentValueStr)) {
                    //如过这个时候,多个线程恰好都到了这里,但是只有一个线程的设置值和当前值相同,他才有权利获取锁
                    // lock acquired
                    locked = true;
                    return true;
                }
            }
            timeout -= 100;
            Thread.sleep(100);
        }
        return false;
    }

一般用法
其中很多繁琐的边缘代码
包括:异常处理,释放资源等等

        JedisPool pool;
        JedisLock jedisLock = new JedisLock(pool.getResource(), lockKey, timeoutMsecs, expireMsecs);
        try {
            if (jedisLock.acquire()) { // 启用锁
                //执行业务逻辑
            } else {
                logger.info("The time wait for lock more than [{}] ms ", timeoutMsecs);
            }
        } catch (Throwable t) {
            // 分布式锁异常
            logger.warn(t.getMessage(), t);
        } finally {
            if (jedisLock != null) {
                try {
                    jedisLock.release();// 则解锁
                } catch (Exception e) {
                }
            }
            if (jedis != null) {
                try {
                    pool.returnResource(jedis);// 还到连接池里
                } catch (Exception e) {
                }
            }
        }

犀利用法
用匿名类来实现,代码非常简洁
至于SimpleLock的实现,请在我附件中下载查看

        SimpleLock lock = new SimpleLock(key);
        lock.wrap(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                //此处代码是锁上的
            }
        });

附件是分布式锁的完整实现和用法,有需要交流的朋友,可以随时留言。

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免费下载地址在 http://linux.linuxidc.com/

用户名与密码都是www.linuxidc.com

具体下载目录在 /2015年资料/1月/15日/Java并发:分布式锁

下载方法见 http://www.linuxidc.com/Linux/2013-07/87684.htm

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因为JAVA的实现和伪代码的实现有所不同,所以仔细对比了一下

伪代码是通过  当前时间  和  getset返回的库里面的时间对比  判断谁应该拿到锁。

JAVA实现是通过 对比两次get 和 getset的返回值的不同,来判断谁应该拿到锁。

两种实现在大多数情况都不会出问题,但是也有失败的情况

1,伪代码失效的情况是 设置超时时间和get的网络开销不相上下的时候。这样容易让一行三次获取数据最后导致成功,很容易让锁失效,替代前一个锁,不过这不算问题,因为设置过小的锁超时时间本身就是程序bug,而且就算这种情况也可以保证每个获取锁的节点依次的进入锁。

2,JAVA实现的失效的情况是,两台完全同步的机器,每步代码执行的速度都一样,有可能让多个节点同时拿到锁。

个人比较赞同伪代码中的实现。

原因是伪代码 如果超时时间设置合理的话,后续的节点最多会把超时时间延迟个几个毫秒,但是后续的节点都不会拿到锁。

本文永久更新链接地址http://www.linuxidc.com/Linux/2015-01/111827.htm

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