面试官:项目中如何实现分布式锁?

本文涉及的产品
注册配置 MSE Nacos/ZooKeeper,118元/月
服务治理 MSE Sentinel/OpenSergo,Agent数量 不受限
云原生网关 MSE Higress,422元/月
简介: 面试官:项目中如何实现分布式锁?

分布式锁(Distributed Lock)是一种用于分布式系统中的同步机制,主要是为了防止分布式系统中,多个服务实例同时操作一个共享资源所带来的并发安全问题。

分布式锁确保在同一时间只有一个实例操作共享资源,从而保证了数据的安全性。

1.分布式锁实现方案

分布式锁的实现方案有多种,例如以下这几种:

  1. 基于数据库实现分布式锁:可以通过数据库的乐观锁或悲观锁实现分布式锁,但是由于数据库的 IO 操作比较慢,不适合高并发场景。
  2. 基于 Zookeeper 实现分布式锁:Zookeeper 是一个高可用性的分布式协调服务,可以通过它来实现分布式锁。但是使用 Zookeeper 需要部署额外的服务,增加了系统复杂度。
  3. 基于 Redis 实现分布式锁:Redis 是一个高性能的内存数据库,支持分布式部署,可以通过 Redis 的原子操作实现分布式锁,而且具有高性能和高可用性。

综合以上方案来看,基于数据库实现的分布式锁不适用于高并发场景,而基于 Zookeeper 实现的分布式锁又需要额外部署 Zookeeper 服务,增加了运营成本,所以使用 Redis 实现分布式锁是目前主流的实现方案

2.为什么Redis可以实现分布式锁?

因为 Redis 作为一个独立的第三方系统(数据中间件),其本身就支持分布式应用。也就是针对于 Redis 的所有操作,所有的分布式系统都是全局可见的,如下图所示:

3.Redis如何实现分布式锁?

使用 Redis 实现分布式锁的方案有以下 4 种:

  1. setnx(set if Not eXists):尝试设置键 key 的值为 value,但如果 key 已经存在,则不会执行任何操作并返回 0,如果 key 不存在则加锁成功。
    • 缺陷:存在死锁问题、锁误删问题、不可重入问题、锁无法自动续期问题。
  2. set nx ex/px:setnx 升级版本,Redis 2.6 版本后才能支持此语法。尝试加锁和设置锁超时时间,使用案例 set key value nx px 3000。
    • 缺陷:存在锁误删问题、不可重入问题、锁无法自动续期问题。
  3. Lua 脚本:解决锁重入的问题
    • 缺陷:实现复杂、且存在锁无法自动续期问题。
  4. Redisson 框架:基于 Redis 实现分布式锁的开源框架。其实现简单、不存在锁重入和锁续期等问题。

问题解释

  1. 死锁问题:SETNX 如未设置过期时间,锁忘记删了或加锁线程宕机都会导致死锁,也就是分布式锁一直被占用的情况。
  2. 锁误删问题:SETNX 设置了超时时间,但因为执行时间太长,所以在超时时间之内锁已经被自动释放了,但线程不知道,因此在线程执行结束之后,会把其他线程的锁误删的问题。
  3. 不可重入问题:也就是说同一线程在已经获取了某个锁的情况下,如果再次请求获取该锁,则请求会失败(因为只有在第一次能加锁成功)。也就是说,一个线程不能对自己已持有的锁进行重复锁定。
  4. 无法自动续期:线程在持有锁期间,任务未能执行完成,锁可能会因为超时而自动释放。SETNX 无法自动根据任务的执行情况,设置新的超时实现,以延长锁的时间。

综合以上实现方案来看,生产级别使用 Redis 实现分布式锁的方案,应该选用 Redisson 框架

4.Redisson介绍

Redisson 是一个开源的用于操作 Redis 的 Java 框架。与 Jedis 和 Lettuce 等轻量级的 Redis 框架不同,它提供了更高级且功能丰富的 Redis 客户端。它提供了许多简化 Redis 操作的高级 API,并支持分布式对象、分布式锁、分布式集合等特性。

Redisson 官网:https://redisson.org/

Redisson 特性说明

  1. Redisson 可以设置分布式锁的过期时间,从而避免锁一直被占用而导致的死锁问题。
  2. Redisson 在为每个锁关联一个线程 ID 和重入次数(递增计数器)作为分布锁 value 的一部分存储在 Redis 中,这样就避免了锁误删和不可重入的问题。
  3. Redisson 还提供了自动续期的功能,通过定时任务(看门狗)定期延长锁的有效期,确保在业务未完成前,锁不会被其他线程获取。

5.Redisson实现分布式锁

1. 添加 Redisson 框架

添加 Redisson 依赖:

<!-- Redisson -->
<!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.redisson/redisson-spring-boot-starter -->
<dependency>
  <groupId>org.redisson</groupId>
  <artifactId>redisson-spring-boot-starter</artifactId>
</dependency>

2. 配置 Redis 连接信息

将 RedissonClient 对象保存到 Spring Ioc 容器,并为其设置 Redis 服务连接信息,具体实现代码如下:

import org.redisson.Redisson;
import org.redisson.api.RedissonClient;
import org.redisson.config.Config;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
@Configuration
public class RedissonConfig {
   
    @Bean
    public RedissonClient redissonClient() {
   
        Config config = new Config();
        // 也可以将 redis 配置信息保存到配置文件
        config.useSingleServer().setAddress("redis://127.0.0.1:6379");
        return Redisson.create(config);
    }
}

3. 创建分布式锁

Redisson 分布式锁的操作和 Java 中的 ReentrantLock(可重入锁)的操作很像,都是先使用 tryLock 尝试获取(非公平)锁,再通过 unlock 释放锁,具体实现如下:

import org.redisson.api.RLock;
import org.redisson.api.RedissonClient;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
@RestController
public class LockController {
   
    @Autowired
    private RedissonClient redissonClient;
    @GetMapping("/lock")
    public String lockResource() throws InterruptedException {
   
        String lockKey = "myLock";
        // 获取 RLock 对象
        RLock lock = redissonClient.getLock(lockKey);
        try {
   
            // 尝试获取锁(尝试加锁)(锁超时时间是 30 秒)
            boolean isLocked = lock.tryLock(30, TimeUnit.SECONDS);
            if (isLocked) {
   
                // 成功获取到锁
                try {
   
                    // 模拟业务处理
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                    return "成功获取锁,并执行业务代码";
                } catch (InterruptedException e) {
   
                    e.printStackTrace();
                } finally {
   
                    // 释放锁
                    lock.unlock();
                }
            } else {
   
                // 获取锁失败
                return "获取锁失败";
            }
        } catch (InterruptedException e) {
   
            e.printStackTrace();
        }
        return "获取锁成功";
    }
}

a.实现公平锁

Redisson 默认创建的分布式锁是非公平锁(出于性能的考虑),想要把它变成公平锁可使用以下代码实现:

RLock lock = redissonClient.getFairLock(lockKey);  // 获取公平锁

b.实现读写锁

Redisson 还可以创建读写锁,如下代码所示:

RReadWriteLock lock = redissonClient.getReadWriteLock(lockKey); // 获取读写锁
lock.readLock();  // 读锁
lock.writeLock(); // 写锁

读写锁的特点就是并发性能高,它是允许多个线程同时获取读锁进行读操作的,也就是说在没有写锁的情况下,读取操作可以并发执行,提高了系统的并行度。但写锁则是独占式的,同一时间只有一个线程可以获得写锁,无论是读还是写都无法与写锁并存,这样就确保了数据修改时的数据一致性。

c.实现联锁

Redisson 也支持联锁,也叫分布式多锁 MultiLock,它允许客户端一次性获取多个独立资源(RLock)上的锁,这些资源可能是不同的键或同一键的不同锁。当所有指定的锁都被成功获取后,才会认为整个操作成功锁定。这样能够确保在分布式环境下进行跨资源的并发控制。

联锁的实现示例如下:

// 获取需要加锁的资源
RLock lock1 = redisson.getLock("lock1");
RLock lock2 = redisson.getLock("lock2");
// 联锁
RedissonMultiLock multiLock = new RedissonMultiLock(lock1, lock2);
try {
   
    // 一次性尝试获取所有锁
    if (multiLock.tryLock()) {
   
        // 获取锁成功...
    }
} finally {
   
    // 释放所有锁
    multiLock.unlock();
}

课后思考

说说 Redisson 分布式锁的底层实现原理?Redisson 如何解决分布式锁的单点故障问题?

本文已收录到我的面试小站 www.javacn.site,其中包含的内容有:Redis、JVM、并发、并发、MySQL、Spring、Spring MVC、Spring Boot、Spring Cloud、MyBatis、设计模式、消息队列等模块。

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