Spring Boot + Redis 实现分布式锁

一、业务背景

有些业务请求，属于耗时操作，需要加锁，防止后续的并发操作，同时对数据库的数据进行操作，需要避免对之前的业务造成影响。

二、分析流程

使用 Redis 作为分布式锁，将锁的状态放到 Redis 统一维护，解决集群中单机 JVM 信息不互通的问题，规定操作顺序，保护用户的数据正确。

梳理设计流程

1. 新建注解 @interface，在注解里设定入参标志

2. 增加 AOP 切点，扫描特定注解

3. 建立 @Aspect 切面任务，注册 bean 和拦截特定方法

4. 特定方法参数 ProceedingJoinPoint，对方法 pjp.proceed() 前后进行拦截

5. 切点前进行加锁，任务执行后进行删除 key

核心步骤：加锁、解锁和续时

加

使用了 RedisTemplate 的 opsForValue.setIfAbsent 方法，判断是否有 key，设定一个随机数 UUID.random().toString，生成一个随机数作为 value。

从 redis 中获取锁之后，对 key 设定 expire 失效时间，到期后自动释放锁。

按照这种设计，只有第一个成功设定 Key 的请求，才能进行后续的数据操作，后续其它请求由于无法获得锁资源，将会失败结束。

超时问题

担心 pjp.proceed() 切点执行的方法太耗时，导致 Redis 中的 key 由于超时提前释放了。

例如，线程 A 先获取锁，proceed 方法耗时，超过了锁超时时间，到期释放了锁，这时另一个线程 B 成功获取 Redis 锁，两个线程同时对同一批数据进行操作，导致数据不准确。

解决方案：增加一个「续时」

任务不完成，锁不释放：

维护了一个定时线程池 ScheduledExecutorService，每隔 2s 去扫描加入队列中的 Task，判断是否失效时间是否快到了，公式为：【失效时间】<= 【当前时间】+【失效间隔（三分之一超时）】

/*** 线程池，每个 JVM 使用一个线程去维护 keyAliveTime，定时执行 runnable*/
private static final ScheduledExecutorService SCHEDULER =
new ScheduledThreadPoolExecutor(1,
new BasicThreadFactory.Builder().namingPattern("redisLock-schedule-pool").daemon(true).build());
static {SCHEDULER.scheduleAtFixedRate(() -> {// do something to extend time}, 0,  2, TimeUnit.SECONDS);
}

三、设计方案

经过上面的分析，设计出了这个方案：

前面已经说了整体流程，这里强调一下几个核心步骤：

• 拦截注解 @RedisLock，获取必要的参数

• 加锁操作

• 续时操作

• 结束业务，释放锁

四、实操

之前也有整理过 AOP 使用方法，可以参考一下。

相关属性类配置

业务属性枚举设定

public enum RedisLockTypeEnum {/*** 自定义 key 前缀*/ONE("Business1", "Test1"),TWO("Business2", "Test2");private String code;private String desc;RedisLockTypeEnum(String code, String desc) {this.code = code;this.desc = desc;}public String getCode() {return code;}public String getDesc() {return desc;}public String getUniqueKey(String key) {return String.format("%s:%s", this.getCode(), key);}
}

任务队列保存参数

public class RedisLockDefinitionHolder {/*** 业务唯一 key*/private String businessKey;/*** 加锁时间 (秒 s)*/private Long lockTime;/*** 上次更新时间（ms）*/private Long lastModifyTime;/*** 保存当前线程*/private Thread currentTread;/*** 总共尝试次数*/private int tryCount;/*** 当前尝试次数*/private int currentCount;/*** 更新的时间周期（毫秒）,公式 = 加锁时间（转成毫秒） / 3*/private Long modifyPeriod;public RedisLockDefinitionHolder(String businessKey, Long lockTime, Long lastModifyTime, Thread currentTread, int tryCount) {this.businessKey = businessKey;this.lockTime = lockTime;this.lastModifyTime = lastModifyTime;this.currentTread = currentTread;this.tryCount = tryCount;this.modifyPeriod = lockTime * 1000 / 3;}
}

设定被拦截的注解名字

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target({ElementType.METHOD, ElementType.TYPE})
public @interface RedisLockAnnotation {/*** 特定参数识别，默认取第 0 个下标*/int lockFiled() default 0;/*** 超时重试次数*/int tryCount() default 3;/*** 自定义加锁类型*/RedisLockTypeEnum typeEnum();/*** 释放时间，秒 s 单位*/long lockTime() default 30;
}

核心切面拦截的操作

RedisLockAspect.java 该类分成三部分来描述具体作用

Pointcut 设定

/*** @annotation 中的路径表示拦截特定注解*/
@Pointcut("@annotation(cn.sevenyuan.demo.aop.lock.RedisLockAnnotation)")
public void redisLockPC() {
}

Around 前后进行加锁和释放锁

前面步骤定义了我们想要拦截的切点，下一步就是在切点前后做一些自定义操作：

@Around(value = "redisLockPC()")
public Object around(ProceedingJoinPoint pjp) throws Throwable {// 解析参数Method method = resolveMethod(pjp);RedisLockAnnotation annotation = method.getAnnotation(RedisLockAnnotation.class);RedisLockTypeEnum typeEnum = annotation.typeEnum();Object[] params = pjp.getArgs();String ukString = params[annotation.lockFiled()].toString();// 省略很多参数校验和判空String businessKey = typeEnum.getUniqueKey(ukString);String uniqueValue = UUID.randomUUID().toString();// 加锁Object result = null;try {boolean isSuccess = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(businessKey, uniqueValue);if (!isSuccess) {throw new Exception("You can't do it，because another has get the lock =-=");}redisTemplate.expire(businessKey, annotation.lockTime(), TimeUnit.SECONDS);Thread currentThread = Thread.currentThread();// 将本次 Task 信息加入「延时」队列中holderList.add(new RedisLockDefinitionHolder(businessKey, annotation.lockTime(), System.currentTimeMillis(),currentThread, annotation.tryCount()));// 执行业务操作result = pjp.proceed();// 线程被中断，抛出异常，中断此次请求if (currentThread.isInterrupted()) {throw new InterruptedException("You had been interrupted =-=");}} catch (InterruptedException e ) {log.error("Interrupt exception, rollback transaction", e);throw new Exception("Interrupt exception, please send request again");} catch (Exception e) {log.error("has some error, please check again", e);} finally {// 请求结束后，强制删掉 key，释放锁redisTemplate.delete(businessKey);log.info("release the lock, businessKey is [" + businessKey + "]");}return result;
}

上述流程简单总结一下：

• 解析注解参数，获取注解值和方法上的参数值

• redis 加锁并且设置超时时间

• 将本次 Task 信息加入「延时」队列中，进行续时，方式提前释放锁

• 加了一个线程中断标志

• 结束请求，finally 中释放锁

续时操作

这里用了 ScheduledExecutorService，维护了一个线程，不断对任务队列中的任务进行判断和延长超时时间：

// 扫描的任务队列
private static ConcurrentLinkedQueue<RedisLockDefinitionHolder> holderList = new ConcurrentLinkedQueue();
/*** 线程池，维护keyAliveTime*/
private static final ScheduledExecutorService SCHEDULER = new ScheduledThreadPoolExecutor(1,new BasicThreadFactory.Builder().namingPattern("redisLock-schedule-pool").daemon(true).build());
{// 两秒执行一次「续时」操作SCHEDULER.scheduleAtFixedRate(() -> {// 这里记得加 try-catch，否者报错后定时任务将不会再执行=-=Iterator<RedisLockDefinitionHolder> iterator = holderList.iterator();while (iterator.hasNext()) {RedisLockDefinitionHolder holder = iterator.next();// 判空if (holder == null) {iterator.remove();continue;}// 判断 key 是否还有效，无效的话进行移除if (redisTemplate.opsForValue().get(holder.getBusinessKey()) == null) {iterator.remove();continue;}// 超时重试次数，超过时给线程设定中断if (holder.getCurrentCount() > holder.getTryCount()) {holder.getCurrentTread().interrupt();iterator.remove();continue;}// 判断是否进入最后三分之一时间long curTime = System.currentTimeMillis();boolean shouldExtend = (holder.getLastModifyTime() + holder.getModifyPeriod()) <= curTime;if (shouldExtend) {holder.setLastModifyTime(curTime);redisTemplate.expire(holder.getBusinessKey(), holder.getLockTime(), TimeUnit.SECONDS);log.info("businessKey : [" + holder.getBusinessKey() + "], try count : " + holder.getCurrentCount());holder.setCurrentCount(holder.getCurrentCount() + 1);}}}, 0, 2, TimeUnit.SECONDS);
}

这段代码，用来实现设计图中虚线框的思想，避免一个请求十分耗时，导致提前释放了锁。

这里加了「线程中断」Thread#interrupt，希望超过重试次数后，能让线程中断（未经严谨测试，仅供参考哈哈哈哈）

不过建议如果遇到这么耗时的请求，还是能够从根源上查找，分析耗时路径，进行业务优化或其它处理，避免这些耗时操作。

所以记得多打点 Log，分析问题时可以更快一点。如何使用SpringBoot AOP 记录操作日志、异常日志？

五、开始测试

在一个入口方法中，使用该注解，然后在业务中模拟耗时请求，使用了 Thread#sleep

@GetMapping("/testRedisLock")
@RedisLockAnnotation(typeEnum = RedisLockTypeEnum.ONE, lockTime = 3)
public Book testRedisLock(@RequestParam("userId") Long userId) {try {log.info("睡眠执行前");Thread.sleep(10000);log.info("睡眠执行后");} catch (Exception e) {// log errorlog.info("has some error", e);}return null;
}

使用时，在方法上添加该注解，然后设定相应参数即可，根据 typeEnum 可以区分多种业务，限制该业务被同时操作。

测试结果：

2020-04-04 14:55:50.864 INFO 9326 --- [nio-8081-exec-1] c.s.demo.controller.BookController : 睡眠执行前
2020-04-04 14:55:52.855 INFO 9326 --- [k-schedule-pool] c.s.demo.aop.lock.RedisLockAspect : businessKey : [Business1:1024], try count : 0
2020-04-04 14:55:54.851 INFO 9326 --- [k-schedule-pool] c.s.demo.aop.lock.RedisLockAspect : businessKey : [Business1:1024], try count : 1
2020-04-04 14:55:56.851 INFO 9326 --- [k-schedule-pool] c.s.demo.aop.lock.RedisLockAspect : businessKey : [Business1:1024], try count : 2
2020-04-04 14:55:58.852 INFO 9326 --- [k-schedule-pool] c.s.demo.aop.lock.RedisLockAspect : businessKey : [Business1:1024], try count : 3
2020-04-04 14:56:00.857 INFO 9326 --- [nio-8081-exec-1] c.s.demo.controller.BookController : has some error
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
at java.lang.Thread.sleep(Native Method) [na:1.8.0_221]

我这里测试的是重试次数过多，失败的场景，如果减少睡眠时间，就能让业务正常执行。

如果同时请求，你将会发现以下错误信息：

表示我们的锁的确生效了，避免了重复请求。

六、总结

对于耗时业务和核心数据，不能让重复的请求同时操作数据，避免数据的不正确，所以要使用分布式锁来对它们进行保护。

再来梳理一下设计流程：

1. 新建注解 @interface，在注解里设定入参标志

2. 增加 AOP 切点，扫描特定注解

3. 建立 @Aspect 切面任务，注册 bean 和拦截特定方法

4. 特定方法参数 ProceedingJoinPoint，对方法 pjp.proceed() 前后进行拦截

5. 切点前进行加锁，任务执行后进行删除 key

本次学习是通过 Review 小伙伴的代码设计，从中了解分布式锁的具体实现，仿照他的设计，重新写了一份简化版的业务处理。对于之前没考虑到的「续时」操作，这里使用了守护线程来定时判断和延长超时时间，避免了锁提前释放。

于是乎，同时回顾了三个知识点：

1、AOP 的实现和常用方法

2、定时线程池 ScheduledExecutorService 的使用和参数含义

3、线程 Thread#interrupt 的含义以及用法（这个挺有意思的，可以深入再学习一下）