分布式锁02-使用Redisson实现公平锁原理

Posted 2021-03-04 wang-meng

前言

前面分析了Redisson可重入锁的原理，主要是通过lua脚本加锁及设置过期时间来保证锁执行的原子性，然后每个线程获取锁会将获取锁的次数+1，释放锁会将当前锁次数-1，如果为0则表示释放锁成功。

可重入原理和JDK中的可重入锁都是一致的。

Redisson公平锁原理

JDK中也有公平锁和非公平锁，所谓公平锁，就是保证客户端获取锁的顺序，跟他们请求获取锁的顺序，是一样的。公平锁需要排队，谁先申请获取这把锁，谁就可以先获取到这把锁，是按照请求的先后顺序来的。

Redisson实现公平锁源码分析

非公平锁使用也很简单：

1RLock lock = redisson.getFairLock("anyLock");
2lock.lock();
3lock.unlock();

核心lua脚本代码：

 1<T> RFuture<T> tryLockInnerAsync(long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId, RedisStrictCommand<T> command) {
 2    internalLockLeaseTime = unit.toMillis(leaseTime);
 3
 4    long currentTime = System.currentTimeMillis();    
 5    if (command == RedisCommands.EVAL_LONG) {
 6        return commandExecutor.evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, command,
 7                // remove stale threads
 8                "while true do "
 9                + "local firstThreadId2 = redis.call(‘lindex‘, KEYS[2], 0);"
10                + "if firstThreadId2 == false then "
11                    + "break;"
12                + "end; "
13                + "local timeout = tonumber(redis.call(‘zscore‘, KEYS[3], firstThreadId2));"
14                + "if timeout <= tonumber(ARGV[4]) then "
15                    + "redis.call(‘zrem‘, KEYS[3], firstThreadId2); "
16                    + "redis.call(‘lpop‘, KEYS[2]); "
17                + "else "
18                    + "break;"
19                + "end; "
20              + "end;"
21
22                  + "if (redis.call(‘exists‘, KEYS[1]) == 0) and ((redis.call(‘exists‘, KEYS[2]) == 0) "
23                        + "or (redis.call(‘lindex‘, KEYS[2], 0) == ARGV[2])) then " +
24                        "redis.call(‘lpop‘, KEYS[2]); " +
25                        "redis.call(‘zrem‘, KEYS[3], ARGV[2]); " +
26                        "redis.call(‘hset‘, KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
27                        "redis.call(‘pexpire‘, KEYS[1], ARGV[1]); " +
28                        "return nil; " +
29                    "end; " +
30                    "if (redis.call(‘hexists‘, KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then " +
31                        "redis.call(‘hincrby‘, KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
32                        "redis.call(‘pexpire‘, KEYS[1], ARGV[1]); " +
33                        "return nil; " +
34                    "end; " +
35
36                    "local firstThreadId = redis.call(‘lindex‘, KEYS[2], 0); " +
37                    "local ttl; " + 
38                    "if firstThreadId ~= false and firstThreadId ~= ARGV[2] then " + 
39                        "ttl = tonumber(redis.call(‘zscore‘, KEYS[3], firstThreadId)) - tonumber(ARGV[4]);" + 
40                    "else "
41                      + "ttl = redis.call(‘pttl‘, KEYS[1]);" + 
42                    "end; " + 
43
44                    "local timeout = ttl + tonumber(ARGV[3]);" + 
45                    "if redis.call(‘zadd‘, KEYS[3], timeout, ARGV[2]) == 1 then " +
46                        "redis.call(‘rpush‘, KEYS[2], ARGV[2]);" +
47                    "end; " +
48                    "return ttl;", 
49                    Arrays.<Object>asList(getName(), threadsQueueName, timeoutSetName), 
50                                internalLockLeaseTime, getLockName(threadId), currentTime + threadWaitTime, currentTime);
51    }
52
53    throw new IllegalArgumentException();
54}

KEYS/ARGV参数分析

KEYS = Arrays.asList(getName(), threadsQueueName, timeoutSetName)

 

• KEYS1 = getName() = 锁的名字，“anyLock”
• KEYS[2] = threadsQueueName = redisson_lock_queue:{anyLock}，基于redis的数据结构实现的一个队列
• KEYS[3] = timeoutSetName = redisson_lock_timeout:{anyLock}，基于redis的数据结构实现的一个Set数据集合，有序集合，可以自动按照你给每个数据指定的一个分数（score）来进行排序

ARGV = internalLockLeaseTime, getLockName(threadId), currentTime + threadWaitTime,
currentTime

• ARGV1 = 30000毫秒
• ARGV[2] = UUID:threadId
• ARGV[3] = 当前时间（10:00:00） + 5000毫秒 = 10:00:05
• ARGV[4] = 当前时间（10:00:00）

模拟不同线程获取锁步骤

1. 客户端A thread01 10:00:00 获取锁(第一次加锁)
2. 客户端B thread02 10:00:10 获取锁
3. 客户端C therad03 10:00:15 获取锁

lua脚本源码分析

客户端A thread01 加锁分析

thread01 在10:00:00 执行加锁逻辑，下面开始一点点分析lua脚本执行代码：

1"while true do "
2+ "local firstThreadId2 = redis.call(‘lindex‘, KEYS[2], 0);"
3+ "if firstThreadId2 == false then "
4    + "break;"

lindex redisson_lock_queue:{anyLock} 0，就是从redisson_lock_queue:{anyLock}这个队列中弹出来第一个元素，刚开始，队列是空的，所以什么都获取不到，此时就会直接退出while true死循环

1"if (redis.call(‘exists‘, KEYS[1]) == 0) and ((redis.call(‘exists‘, KEYS[2]) == 0) "
2+ "or (redis.call(‘lindex‘, KEYS[2], 0) == ARGV[2])) then " +
3"redis.call(‘lpop‘, KEYS[2]); " +
4"redis.call(‘zrem‘, KEYS[3], ARGV[2]); " +
5"redis.call(‘hset‘, KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
6"redis.call(‘pexpire‘, KEYS[1], ARGV[1]); " +
7"return nil; " +
8"end; " +

这段代码判断逻辑的意思是：

1. exists anyLock，锁不存在，也就是没人加锁，刚开始确实是没人加锁的，这个条件肯定是成立的；
2. 或者是exists redisson_lock_queue:{anyLock}，这个队列不存在
3. 或者是lindex
   redisson_lock_queue:{anyLock} 0，队列的第一个元素是UUID:threadId，或者是这个队列存在，但是排在队头的第一个元素，是当前这个线程

那么这个条件整体就可以成立了
anyLock和队列，都是不存在的，所以这个条件肯定会成立。接着执行if中的具体逻辑：

• lpop redisson_lock_queue:{anyLock}，弹出队列的第一个元素，现在队列是空的，所以什么都不会干
• zrem redisson_lock_timeout:{anyLock} UUID:threadId，从set集合中删除threadId对应的元素，此时因为这个set集合是空的，所以什么都不会干
• hset anyLock UUID:threadId_01 1，加锁成功：
  anyLock: {
  "UUID_01:threadId_01": 1
  }
• pexpire anyLock 30000，将这个锁key的生存时间设置为30000毫秒

返回一个nil，在外层代码中，就会认为是加锁成功，此时就会开启一个watchdog看门狗定时调度的程序，每隔10秒判断一下，当前这个线程是否还对这个锁key持有着锁，如果是，则刷新锁key的生存时间为30000毫秒 (看门狗的具体流程上一篇文章有讲述)

客户端B thread02 加锁分析

此时thread01 已经获取到了锁，如果thread02 在10:00:10分来执行加锁逻辑，具体的代码逻辑是怎样执行的呢？

1"while true do "
2+ "local firstThreadId2 = redis.call(‘lindex‘, KEYS[2], 0);"
3+ "if firstThreadId2 == false then "
4    + "break;"

进入while true死循环，lindex redisson_lock_queue:{anyLock} 0，获取队列的第一个元素，此时队列还是空的，所以获取到的是false，直接退出while true死循环

1"if (redis.call(‘exists‘, KEYS[1]) == 0) and ((redis.call(‘exists‘, KEYS[2]) == 0) "
2+ "or (redis.call(‘lindex‘, KEYS[2], 0) == ARGV[2])) then " +
3"redis.call(‘lpop‘, KEYS[2]); " +
4"redis.call(‘zrem‘, KEYS[3], ARGV[2]); " +
5"redis.call(‘hset‘, KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
6"redis.call(‘pexpire‘, KEYS[1], ARGV[1]); " +
7"return nil; " +
8"end; " +

此时anyLock这个锁key已经存在了，说明已经有人加锁了，这个条件首先就肯定不成立了；

接着往下执行，看下另外的逻辑：

1"if (redis.call(‘hexists‘, KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then " +
2    "redis.call(‘hincrby‘, KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
3    "redis.call(‘pexpire‘, KEYS[1], ARGV[1]); " +
4    "return nil; " +
5"end; " +

判断一下，此时这个第二个客户端是UUID_02，threadId_02，此时会判断一下，hexists anyLock
UUID_02:threadId_02，判断一下在anyLock这个map中，是否存在UUID_02:threadId_02这个key？这个条件也不成立

继续执行后续代码：

 1"local firstThreadId = redis.call(‘lindex‘, KEYS[2], 0); " +
 2"local ttl; " + 
 3"if firstThreadId ~= false and firstThreadId ~= ARGV[2] then " + 
 4    "ttl = tonumber(redis.call(‘zscore‘, KEYS[3], firstThreadId)) - tonumber(ARGV[4]);" + 
 5"else "
 6  + "ttl = redis.call(‘pttl‘, KEYS[1]);" + 
 7"end; " + 
 8
 9"local timeout = ttl + tonumber(ARGV[3]);" + 
10"if redis.call(‘zadd‘, KEYS[3], timeout, ARGV[2]) == 1 then " +
11    "redis.call(‘rpush‘, KEYS[2], ARGV[2]);" +
12"end; " +
13"return ttl;", 

tonumber() 是lua中自带的函数，tonumber会尝试将它的参数转换为数字。

lindex redisson_lock_queue:{anyLock} 0，从队列中获取第一个元素，此时队列是空的，所以什么都不会有

因为我们是在10:00:10 分请求的，因为anyLock默认过期时间是30s，所以在thread02请求的时候ttl还剩下20s

ttl = pttl anyLock = 20000毫秒，获取anyLock剩余的生存时间，ttl假设这里就被设置为了20000毫秒

timeout = ttl + 当前时间 + 5000毫秒 = 20000毫秒 + 10:00:00 + 5000毫秒 = 10:00:25

接着执行：
zadd redisson_lock_timeout:{anyLock} 10:00:25 UUID_02:threadId_02

在set集合中插入一个元素，元素的值是UUID_02:threadId_02，他对应的分数是10:00:25（会用这个时间的long型的一个时间戳来表示这个时间，时间越靠后，时间戳就越大），sorted set，有序set集合，他会自动根据你插入的元素的分数从小到大来进行排序

继续执行：
rpush redisson_lock_queue:{anyLock} UUID_02:theadId_02

这个指令就是将UUID_02:threadId_02，插入到队列的头部去

返回的是ttl，也就是anyLock剩余的生存时间，如果拿到的返回值是ttl是一个数字的话，那么此时客户端B而言就会进入一个while true的死循环，每隔一段时间都尝试去进行加锁，重新执行这段lua脚本

简单画图总结如下：

image.png

客户端C thread03 加锁分析

此时thread03 在10:00:15来加锁，分析一下执行原理：

 1"while true do "
 2+ "local firstThreadId2 = redis.call(‘lindex‘, KEYS[2], 0);"
 3+ "if firstThreadId2 == false then "
 4    + "break;"
 5+ "end; "
 6+ "local timeout = tonumber(redis.call(‘zscore‘, KEYS[3], firstThreadId2));"
 7+ "if timeout <= tonumber(ARGV[4]) then "
 8    + "redis.call(‘zrem‘, KEYS[3], firstThreadId2); "
 9    + "redis.call(‘lpop‘, KEYS[2]); "
10+ "else "
11    + "break;"
12+ "end; "
13+ "end;"

while true死循环，lindex redisson_lock_queue:{anyLock} 0，获取队列中的第一个元素，UUID_02:threadId_02，代表的是这个客户端02正在队列里排队

zscore redisson_lock_timeout:{anyLock} UUID_02:threadId_02，从有序集合中获取UUID_02:threadId_02对应的分数，timeout = 10:00:25

判断：timeout <= 10:00:15？，这个条件不成立，退出死循环

 1"local firstThreadId = redis.call(‘lindex‘, KEYS[2], 0); " +
 2"local ttl; " + 
 3"if firstThreadId ~= false and firstThreadId ~= ARGV[2] then " + 
 4    "ttl = tonumber(redis.call(‘zscore‘, KEYS[3], firstThreadId)) - tonumber(ARGV[4]);" + 
 5"else "
 6  + "ttl = redis.call(‘pttl‘, KEYS[1]);" + 
 7"end; " + 
 8
 9"local timeout = ttl + tonumber(ARGV[3]);" + 
10"if redis.call(‘zadd‘, KEYS[3], timeout, ARGV[2]) == 1 then " +
11    "redis.call(‘rpush‘, KEYS[2], ARGV[2]);" +
12"end; " +
13"return ttl;", 

firstThreadId获取到的是队列中的第一个元素：UUID_02:thread_02

ttl = 10:00:25 - 10:00:15 = 5000毫秒
timeout = 5000毫秒 + 10:00:15 + 5000毫秒 = 10:00:30

将客户端C放入到对列和有序集合中：
zadd redisson_lock_timeout:{anyLock} 10:00:30 UUID_03:threadId_03
rpush redisson_lock_queue:{anyLock} UUID_03:theadId_03

最终执行完后 如下图：

image.png

Redisson依次加锁逻辑

上面已经知道了，多个线程加锁过程中实际会进行排队，根据加锁的时间来作为获取锁的优先级，如果此时客户端A释放了锁，来看下客户端B、C是如果获取锁的

当客户端A释放锁
客户端B请求获取锁

直接看核心逻辑：

1+ "if (redis.call(‘exists‘, KEYS[1]) == 0) and ((redis.call(‘exists‘, KEYS[2]) == 0) "
2+ "or (redis.call(‘lindex‘, KEYS[2], 0) == ARGV[2])) then " +
3"redis.call(‘lpop‘, KEYS[2]); " +
4"redis.call(‘zrem‘, KEYS[3], ARGV[2]); " +
5"redis.call(‘hset‘, KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
6"redis.call(‘pexpire‘, KEYS[1], ARGV[1]); " +
7"return nil; " +
8"end; " +

if中的判断：
exists anyLock 是否不存在，此时客户端A已经释放锁，所以这个条件成立。

然后判断队列不存在，或者队列中第一个元素为空，此时条件不成立，但是后面是or关联的判断，接着判断队列中的第一个元素是否为当前请求的UUID_02:threadId_02， 如果判断成功则开始加锁。

这里就是公平锁依次加锁的核心逻辑。

申明

本文章首发自本人博客：https://www.cnblogs.com/wang-meng 和公众号：壹枝花算不算浪漫，如若转载请标明来源!

感兴趣的小伙伴可关注个人公众号：壹枝花算不算浪漫