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分布式锁--redission 最佳实践！

article 2024/10/6 15:10:44

我们知道如果我们的项目服务不只是一个实例的时候，单体锁就不再适用，而我们自己去用redis实现分布式锁的话，会有比如锁误删、超时释放、锁的重入、失败重试、Redis主从一致性等等一系列的问题需要自己解决。

当然，上述问题并非无法解决，只不过会比较麻烦。例如：

  • 原子性问题：可以利用Redis的LUA脚本来编写锁操作，确保原子性
  • 超时问题：利用WatchDog（看门狗）机制，获取锁成功时开启一个定时任务，在锁到期前自动续期，避免超时释放。而当服务宕机后，WatchDog跟着停止运行，不会导致死锁。
  • 锁重入问题：可以模拟Synchronized原理，放弃setnx，而是利用Redis的Hash结构来记录锁的持有者以及重入次数，获取锁时重入次数+1，释放锁是重入次数-1，次数为0则锁删除
  • 主从一致性问题：可以利用Redis官网推荐的RedLock机制来解决

这些解决方案实现起来比较复杂，因此我们通常会使用一些开源框架来实现分布式锁，而不是自己来编码实现。目前对这些解决方案实现的比较完善的一个第三方组件：Redisson

因此，我们只要会使用Redisson，即可解决上述问题，无需自己动手编码了。

下面就将介绍Redission在项目实战中的最佳实践。

快速入门

首先引入依赖：

<!--redisson-->
<dependency>
    <groupId>org.redisson</groupId>
    <artifactId>redisson</artifactId>
</dependency>

然后是配置：

 @Configuration
 public class RedisConfig {
    @Bean
    public RedissonClient redissonClient() {
        // 配置类
        Config config = new Config();
        // 添加redis地址，这里添加了单点的地址，也可以使用config.useClusterServers()添加集群地址 
        config.useSingleServer()
            .setAddress("redis://localhost:6379")
            .setPassowrd("root");
        // 创建客户端
        return Redisson.create(config);
    }
 }

最后是基本用法：

@Autowired
 private RedissonClient redissonClient;

 @Test
 void testRedisson() throws InterruptedException {
    // 1.获取锁对象，指定锁名称
    RLock lock = redissonClient.getLock("anyLock");
    try {
        // 2.尝试获取锁，参数：waitTime、leaseTime、时间单位
        boolean isLock = lock.tryLock(1, 10, TimeUnit.SECONDS);
        if (!isLock) {
            // 获取锁失败处理 ..
        } else {
            // 获取锁成功处理
        }
    } finally {
        // 4.释放锁
        lock.unlock();
    }
 }

利用Redisson获取锁时可以传3个参数：

  • waitTime：获取锁的等待时间。当获取锁失败后可以多次重试，直到waitTime时间耗尽。waitTime默认-1，即失败后立刻返回，不重试。
  • leaseTime：锁超时释放时间。默认是30，同时会利用WatchDog来不断更新超时时间。需要注意的是，如果手动设置leaseTime值，会导致WatchDog失效。
  • TimeUnit：时间单位

项目集成

common模块已经完成了Redission的基础配置：

@Slf4j
@ConditionalOnClass({RedissonClient.class, Redisson.class})
@Configuration
@EnableConfigurationProperties(RedisProperties.class)
public class RedissonConfig {
    private static final String REDIS_PROTOCOL_PREFIX = "redis://";
    private static final String REDISS_PROTOCOL_PREFIX = "rediss://";

    @Bean
    @ConditionalOnMissingBean
    public LockAspect lockAspect(RedissonClient redissonClient){
        return new LockAspect(redissonClient);
    }

    @Bean
    @ConditionalOnMissingBean
    public RedissonClient redissonClient(RedisProperties properties){
        log.debug("尝试初始化RedissonClient");
        // 1.读取Redis配置
        RedisProperties.Cluster cluster = properties.getCluster();
        RedisProperties.Sentinel sentinel = properties.getSentinel();
        String password = properties.getPassword();
        int timeout = 3000;
        Duration d = properties.getTimeout();
        if(d != null){
            timeout = Long.valueOf(d.toMillis()).intValue();
        }
        // 2.设置Redisson配置
        Config config = new Config();
        if(cluster != null && !CollectionUtil.isEmpty(cluster.getNodes())){
            // 集群模式
            config.useClusterServers()
                    .addNodeAddress(convert(cluster.getNodes()))
                    .setConnectTimeout(timeout)
                    .setPassword(password);
        }else if(sentinel != null && !StrUtil.isEmpty(sentinel.getMaster())){
            // 哨兵模式
            config.useSentinelServers()
                    .setMasterName(sentinel.getMaster())
                    .addSentinelAddress(convert(sentinel.getNodes()))
                    .setConnectTimeout(timeout)
                    .setDatabase(0)
                    .setPassword(password);
        }else{
            // 单机模式
            config.useSingleServer()
                    .setAddress(String.format("redis://%s:%d", properties.getHost(), properties.getPort()))
                    .setConnectTimeout(timeout)
                    .setDatabase(0)
                    .setPassword(password);
        }
        // 3.创建Redisson客户端
        return Redisson.create(config);
    }

几个关键点：

  • 这个配置上添加了条件注解@ConditionalOnClass({RedissonClient.class, Redisson.class}) 也就是说，只要引用了common模块，并且引用了Redisson依赖，这套配置就会生效。不引入Redisson依赖，配置自然不会生效，从而实现按需引入。
  • RedissonClient的配置无需自定义Redis地址，而是直接基于SpringBoot中的Redis配置即可。而且不管是Redis单机、Redis集群、Redis哨兵模式都可以支持

所以，在微服务中应用的步骤：

  • 引入common、Redisson依赖
  • 注入RedissonClient，使用分布式锁

应用到项目中：

在这里插入图片描述

通用分布式锁组件

Redisson的分布式锁使用并不复杂，基本步骤包括：

  • 1）创建锁对象
  • 2）尝试获取锁
  • 3）处理业务
  • 4）释放锁

但是，除了第3步以外，其它都是非业务代码，对业务的侵入较多：

在这里插入图片描述

可以发现，非业务代码格式固定，每次获取锁总是在重复编码。我们可不可以对这部分代码进行抽取和简化呢？

实现思路分析

要优化这部分代码，需要通过整个流程来分析：

在这里插入图片描述

可以发现，只有红框部分是业务功能，业务前、后都是固定的锁操作。既然如此，我们完全可以基于AOP的思想，将业务部分作为切入点，将业务前后的锁操作作为环绕增强。

但是，我们该如何标记这些切入点呢？

不是每一个service方法都需要加锁，因此我们不能直接基于类来确定切入点；另外，需要加锁的方法可能也较多，我们不能基于方法名作为切入点，这样太麻烦。因此，最好的办法是把加锁的方法给标记出来，利用标记来确定切入点。如何标记呢？

最常见的办法就是基于注解来标记了。同时，加锁时还有一些参数，比如：锁的key名称、锁的waitTime、releaseTime等等，都可以基于注解来传参。

因此，注解的核心作用是两个：

  • 标记切入点
  • 传递锁参数

综上，我们计划利用注解来标记切入点，传递锁参数。同时利用AOP环绕增强来实现加锁、释放锁等操作。

定义注解

注解本身起到标记作用，同时还要带上锁参数：

  • 锁名称
  • 锁等待时间
  • 锁超时时间
  • 时间单位

代码如下：

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface MyLock {
    String name();

    long waitTime() default 1;

    long leaseTime() default -1;

    TimeUnit unit() default TimeUnit.SECONDS;
}

定义切面

接下来，我们定义一个环绕增强的切面，实现加锁、释放锁：

代码实现如下：

@Component
@Aspect
@RequiredArgsConstructor
public class MyLockAspect implements Ordered{

    private final RedissonClient redissonClient;

    @Around("@annotation(myLock)")
    public Object tryLock(ProceedingJoinPoint pjp, MyLock myLock) throws Throwable {
        // 1.创建锁对象
        RLock lock = redissonClient.getLock(myLock.name());
        // 2.尝试获取锁
        boolean isLock = lock.tryLock(myLock.waitTime(), myLock.leaseTime(), myLock.unit());
        // 3.判断是否成功
        if(!isLock) {
            // 3.1.失败，快速结束
            throw new BizIllegalException("请求太频繁");
        }
        try {
            // 3.2.成功，执行业务
            return pjp.proceed();
        } finally {
            // 4.释放锁
            lock.unlock();
        }
    }
    
    @Override
    public int getOrder() {
        return 0;
    }
}

注意，Spring中的AOP切面有很多，会按照Order排序，按照Order值从小到大依次执行。Spring事务AOP的order值是Integer.MAX_VALUE，优先级最低。

我们的分布式锁一定要先于事务执行，因此，我们的切面一定要实现Ordered接口，指定order值小于Integer.MAX_VALUE即可。

使用锁

定义好了锁注解和切面，接下来就可以改造业务了：

在这里插入图片描述

可以看到，业务中无需手动编写加锁、释放锁的逻辑了，没有任何业务侵入，使用起来也非常优雅。

不过呢，现在还存在几个问题：

  • Redisson中锁的种类有很多，目前的代码中把锁的类型写死了
  • Redisson中获取锁的逻辑有多种，比如获取锁失败的重试策略，目前都没有设置
  • 锁的名称目前是写死的，并不能根据方法参数动态变化

所以呢，我们接下来还要对锁的实现进行优化，注意解决上述问题。

工厂模式切换锁类型

Redisson中锁的类型有多种,比如：

可重入锁（Reentrant Lock）：

  • 允许同一个线程多次获取同一个锁，计数器记录获取次数，释放时需要调用相同次数。

公平锁（Fair Lock）：

  • 按照请求锁的顺序来获取锁，避免饥饿情况。先请求锁的线程会先获得锁。

非公平锁（Unfair Lock）：

  • 允许线程抢占锁，可能会导致某些线程被长时间阻塞。性能较公平锁更好，但可能导致饥饿。

读写锁（Read-Write Lock）：

  • 允许多个线程同时读取资源，但在写入时会独占锁。适合读多写少的场景。

信号量（Semaphore）：

  • 允许多个线程获取一定数量的许可，适合限制资源的并发访问。

限流器（Rate Limiter）：

  • 控制操作的频率，限制单位时间内的请求数量。

多节点锁（Multi-node Lock）：

  • 支持在分布式环境中使用，能够在多个 Redis 节点上进行锁的管理。

因此，我们不能在切面中把锁的类型写死，而是交给用户自己选择锁类型。

那么问题来了，如何让用户选择锁类型呢？

锁的类型虽然有多种，但类型是有限的几种，完全可以通过枚举定义出来。然后把这个枚举作为MyLock注解的参数，交给用户去选择自己要用的类型。

而在切面中，我们则需要根据用户选择的锁类型，创建对应的锁对象即可。但是这个逻辑不能通过if-else来实现，太low了。

这里我们的需求是根据用户选择的锁类型，创建不同的锁对象。有一种设计模式刚好可以解决这个问题：简单工厂模式。

锁类型枚举

我们首先定义一个锁类型枚举：

具体代码：

public enum MyLockType {
    RE_ENTRANT_LOCK, // 可重入锁
    FAIR_LOCK, // 公平锁
    READ_LOCK, // 读锁
    WRITE_LOCK, // 写锁
    ;
}

然后在自定义注解中添加锁类型这个参数：

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface MyLock {
    String name();

    long waitTime() default 1;

    long leaseTime() default -1;

    TimeUnit unit() default TimeUnit.SECONDS;

    MyLockType lockType() default  MyLockType.RE_ENTRANT_LOCK;//默认可重入

}
锁对象工厂

然后定义一个锁工厂，用于根据锁类型创建锁对象：

具体代码：

import org.redisson.api.RLock;
import org.redisson.api.RedissonClient;
import org.springframework.stereotype.Component;

import java.util.EnumMap;
import java.util.Map;
import java.util.function.Function;



@Component
public class MyLockFactory {

    private final Map<MyLockType, Function<String, RLock>> lockHandlers;

    public MyLockFactory(RedissonClient redissonClient) {
        this.lockHandlers = new EnumMap<>(MyLockType.class);
        this.lockHandlers.put(RE_ENTRANT_LOCK, redissonClient::getLock);
        this.lockHandlers.put(FAIR_LOCK, redissonClient::getFairLock);
        this.lockHandlers.put(READ_LOCK, name -> redissonClient.getReadWriteLock(name).readLock());
        this.lockHandlers.put(WRITE_LOCK, name -> redissonClient.getReadWriteLock(name).writeLock());
    }

    public RLock getLock(MyLockType lockType, String name){
        return lockHandlers.get(lockType).apply(name);
    }
}
  • MyLockFactory内部持有了一个Map，key是锁类型枚举，值是创建锁对象的Function。注意这里不是存锁对象，因为锁对象必须是多例的，不同业务用不同锁对象；同一个业务用相同锁对象。
  • MyLockFactory内部的Map采用了EnumMap。只有当Key是枚举类型时可以使用EnumMap，其底层不是hash表，而是简单的数组。由于枚举项数量固定，因此这个数组长度就等于枚举项个数，然后按照枚举项序号作为角标依次存入数组。这样就能根据枚举项序号作为角标快速定位到数组中的数据。
改造切面代码

我们将锁对象工厂注入MyLockAspect，然后就可以利用工厂来获取锁对象了：

在这里插入图片描述

此时，在业务中，就能通过注解来指定自己要用的锁类型了：

在这里插入图片描述

锁失败策略

多线程争抢锁，大部分线程会获取锁失败，而失败后的处理方案和策略是多种多样的。目前，我们获取锁失败后就是直接抛出异常，没有其它策略，这与实际需求不一定相符。

策略分析

接下来，我们就分析一下锁失败的处理策略有哪些。

大的方面来说，获取锁失败要从两方面来考虑：

  • 获取锁失败是否要重试？有三种策略：
    • 不重试，对应API：lock.tryLock(0, 10, SECONDS)，也就是waitTime小于等于0
    • 有限次数重试：对应API：lock.tryLock(5, 10, SECONDS)，也就是waitTime大于0，重试一定waitTime时间后结束
    • 无限重试：对应API lock.lock(10, SECONDS) , lock就是无限重试
  • 重试失败后怎么处理？有两种策略：
    • 直接结束
    • 抛出异常

对应的API和策略名如下：

在这里插入图片描述

重试策略 + 失败策略组合，总共以下几种情况：

在这里插入图片描述

那么该如何用代码来表示这些失败策略，并让用户自由选择呢？

相信大家应该能想到一种设计模式：策略模式。同时，我们还需要定义一个失败策略的**枚举。**在MyLock注解中定义这个枚举类型的参数，供用户选择。

一般的策略模式大概是这样：

  • 定义策略接口
  • 定义不同策略实现类
  • 提供策略工厂，便于根据策略枚举获取不同策略实现

而在策略比较简单的情况下，我们完全可以用枚举代替策略工厂，简化策略模式。

综上，我们可以定义一个基于枚举的策略模式，简化开发。

策略实现

我们定义一个失败策略枚举：

然后直接将失败策略定义到枚举中：

public enum MyLockStrategy {
    SKIP_FAST(){
        @Override
        public boolean tryLock(RLock lock, MyLock prop) throws InterruptedException {
            return lock.tryLock(0, prop.leaseTime(), prop.unit());
        }
    },
    FAIL_FAST(){
        @Override
        public boolean tryLock(RLock lock, MyLock prop) throws InterruptedException {
            boolean isLock = lock.tryLock(0, prop.leaseTime(), prop.unit());
            if (!isLock) {
                throw new BizIllegalException("请求太频繁");
            }
            return true;
        }
    },
    KEEP_TRYING(){
        @Override
        public boolean tryLock(RLock lock, MyLock prop) throws InterruptedException {
            lock.lock( prop.leaseTime(), prop.unit());
            return true;
        }
    },
    SKIP_AFTER_RETRY_TIMEOUT(){
        @Override
        public boolean tryLock(RLock lock, MyLock prop) throws InterruptedException {
            return lock.tryLock(prop.waitTime(), prop.leaseTime(), prop.unit());
        }
    },
    FAIL_AFTER_RETRY_TIMEOUT(){
        @Override
        public boolean tryLock(RLock lock, MyLock prop) throws InterruptedException {
            boolean isLock = lock.tryLock(prop.waitTime(), prop.leaseTime(), prop.unit());
            if (!isLock) {
                throw new BizIllegalException("请求太频繁");
            }
            return true;
        }
    },
    ;

    public abstract boolean tryLock(RLock lock, MyLock prop) throws InterruptedException;
}

然后，在MyLock注解中添加枚举参数：在这里插入图片描述

最后，修改切面代码，基于用户选择的策略来处理：

在这里插入图片描述

这个时候，我们就可以在使用锁的时候自由选择锁类型、锁策略了：

基于SPEL的动态锁名

现在还剩下最后一个问题，就是锁名称的问题。

在当前业务中，我们的锁对象本来应该是当前登录用户，是动态获取的。而加锁是基于注解参数添加的，在编码时就需要指定。怎么办？

Spring中提供了一种表达式语法，称为SPEL表达式，可以执行java代码，获取任意参数。

我们可以让用户指定锁名称参数时不要写死，而是基于SPEL表达式。在创建锁对象时，解析SPEL表达式，动态获取锁名称。

SPEL表达式

SpEL（Spring Expression Language）是一种强大的表达式语言，允许在 Spring 中使用字符串表达式来操作对象图、调用方法、访问属性等。SpEL 的主要用途包括但不限于：动态属性访问、条件表达式、方法调用等。

基本语法

  1. 属性访问：

    expression = "user.name"  // 访问 user 对象的 name 属性

  2. 方法调用：

    expression = "user.getName()"  // 调用 user 对象的 getName() 方法

  3. 集合操作：

    expression = "users.?[age > 18]"  // 过滤出年龄大于18的用户

  4. 条件表达式：

    expression = "age > 18 ? 'Adult' : 'Minor'"  // 三元运算符

  5. 运算符：

    • 算术运算符：+, -, *, /, %
    • 比较运算符：==, !=, <, >, <=, >=
    • 逻辑运算符：and, or, not

具体官网链接：8. Spring 表达式语言 (SpEL) (itmyhome.com)

首先，在使用锁注解时，锁名称可以利用SPEL表达式，例如我们指定锁名称中要包含参数中的用户id，则可以这样写：

在这里插入图片描述

而如果是通过UserContext.getUser()获取，则可以利用下面的语法：

在这里插入图片描述

这里T(类名).方法名()就是调用静态方法。

解析SPEL

在切面中，我们需要基于注解中的锁名称做动态解析，而不是直接使用名称：

在这里插入图片描述

其中获取锁名称用的是getLockName()这个方法：

/**
 * SPEL的正则规则
 */
private static final Pattern pattern = Pattern.compile("\\#\\{([^\\}]*)\\}");
/**
 * 方法参数解析器
 */
private static final ParameterNameDiscoverer parameterNameDiscoverer = new DefaultParameterNameDiscoverer();

/**
 * 解析锁名称
 * @param name 原始锁名称
 * @param pjp 切入点
 * @return 解析后的锁名称
 */
private String getLockName(String name, ProceedingJoinPoint pjp) {
    // 1.判断是否存在spel表达式
    if (StringUtils.isBlank(name) || !name.contains("#")) {
        // 不存在，直接返回
        return name;
    }
    // 2.构建context,也就是SPEL表达式获取参数的上下文环境，这里上下文就是切入点的参数列表
    EvaluationContext context = new MethodBasedEvaluationContext(
            TypedValue.NULL, resolveMethod(pjp), pjp.getArgs(), parameterNameDiscoverer);
    // 3.构建SPEL解析器
    ExpressionParser parser = new SpelExpressionParser();
    // 4.循环处理，因为表达式中可以包含多个表达式
    Matcher matcher = pattern.matcher(name);
    while (matcher.find()) {
        // 4.1.获取表达式
        String tmp = matcher.group();
        String group = matcher.group(1);
        // 4.2.这里要判断表达式是否以 T字符开头，这种属于解析静态方法，不走上下文
        Expression expression = parser.parseExpression(group.charAt(0) == 'T' ? group : "#" + group);
        // 4.3.解析出表达式对应的值
        Object value = expression.getValue(context);
        // 4.4.用值替换锁名称中的SPEL表达式
        name = name.replace(tmp, ObjectUtils.nullSafeToString(value));
    }
    return name;
}

private Method resolveMethod(ProceedingJoinPoint pjp) {
    // 1.获取方法签名
    MethodSignature signature = (MethodSignature)pjp.getSignature();
    // 2.获取字节码
    Class<?> clazz = pjp.getTarget().getClass();
    // 3.方法名称
    String name = signature.getName();
    // 4.方法参数列表
    Class<?>[] parameterTypes = signature.getMethod().getParameterTypes();
    return tryGetDeclaredMethod(clazz, name, parameterTypes);
}

private Method tryGetDeclaredMethod(Class<?> clazz, String name, Class<?> ... parameterTypes){
    try {
        // 5.反射获取方法
        return clazz.getDeclaredMethod(name, parameterTypes);
    } catch (NoSuchMethodException e) {
        Class<?> superClass = clazz.getSuperclass();
        if (superClass != null) {
            // 尝试从父类寻找
            return tryGetDeclaredMethod(superClass, name, parameterTypes);
        }
    }
    return null;
}

http://www.kler.cn/news/334713.html

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