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Java並發:分布式鎖

Redis有一系列的命令,特點是以NX結尾,NX是Not eXists的縮寫,如SETNX命令就應該理解為:SET if Not eXists。這系列的命令非常有用,這裡講使用SETNX來實現分布式鎖。

用SETNX實現分布式鎖
利用SETNX非常簡單地實現分布式鎖。例如:某客戶端要獲得一個名字foo的鎖,客戶端使用下面的命令進行獲取:
SETNX lock.foo <current Unix time + lock timeout + 1>

  • 如返回1,則該客戶端獲得鎖,把lock.foo的鍵值設置為時間值表示該鍵已被鎖定,該客戶端最後可以通過DEL lock.foo來釋放該鎖。
  • 如返回0,表明該鎖已被其他客戶端取得,這時我們可以先返回或進行重試等對方完成或等待鎖超時。

解決死鎖
上面的鎖定邏輯有一個問題:如果一個持有鎖的客戶端失敗或崩潰了不能釋放鎖,該怎麼解決?我們可以通過鎖的鍵對應的時間戳來判斷這種情況是否發生了,如果當前的時間已經大於lock.foo的值,說明該鎖已失效,可以被重新使用。

發生這種情況時,可不能簡單的通過DEL來刪除鎖,然後再SETNX一次,當多個客戶端檢測到鎖超時後都會嘗試去釋放它,這裡就可能出現一個競態條件,讓我們模擬一下這個場景:

C0操作超時了,但它還持有著鎖,C1和C2讀取lock.foo檢查時間戳,先後發現超時了。
C1 發送DEL lock.foo
C1 發送SETNX lock.foo 並且成功了。
C2 發送DEL lock.foo
C2 發送SETNX lock.foo 並且成功了。
這樣一來,C1,C2都拿到了鎖!問題大了!

幸好這種問題是可以避免的,讓我們來看看C3這個客戶端是怎樣做的:

C3發送SETNX lock.foo 想要獲得鎖,由於C0還持有鎖,所以Redis返回給C3一個0
C3發送GET lock.foo 以檢查鎖是否超時了,如果沒超時,則等待或重試。
反之,如果已超時,C3通過下面的操作來嘗試獲得鎖:
GETSET lock.foo <current Unix time + lock timeout + 1>
通過GETSET,C3拿到的時間戳如果仍然是超時的,那就說明,C3如願以償拿到鎖了。
如果在C3之前,有個叫C4的客戶端比C3快一步執行了上面的操作,那麼C3拿到的時間戳是個未超時的值,這時,C3沒有如期獲得鎖,需要再次等待或重試。留意一下,盡管C3沒拿到鎖,但它改寫了C4設置的鎖的超時值,不過這一點非常微小的誤差帶來的影響可以忽略不計。

注意:為了讓分布式鎖的算法更穩鍵些,持有鎖的客戶端在解鎖之前應該再檢查一次自己的鎖是否已經超時,再去做DEL操作,因為可能客戶端因為某個耗時的操作而掛起,操作完的時候鎖因為超時已經被別人獲得,這時就不必解鎖了。

示例偽代碼
根據上面的代碼,我寫了一小段Fake代碼來描述使用分布式鎖的全過程:
# 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,要想這段邏輯可以重用,使用python的你馬上就想到了Decorator,而用Java的你是不是也想到了那誰?AOP + annotation?行,怎樣舒服怎樣用吧,別重復代碼就行。

java之jedis實現
expireMsecs 鎖持有超時,防止線程在入鎖以後,無限的執行下去,讓鎖無法釋放
timeoutMsecs 鎖等待超時,防止線程饑餓,永遠沒有入鎖執行代碼的機會

    /**
    * 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); //鎖到期時間

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

            String currentValueStr = jedis.get(lockKey); //redis裡的時間
            if (currentValueStr != null && Long.parseLong(currentValueStr) < System.currentTimeMillis()) {
                //判斷是否為空,不為空的情況下,如果被其他線程設置了值,則第二個條件判斷是過不去的
                // lock is expired

                String oldValueStr = jedis.getSet(lockKey, expiresStr);
                //獲取上一個鎖到期時間,並設置現在的鎖到期時間,
                //只有一個線程才能獲取上一個線上的設置時間,因為jedis.getSet是同步的
                if (oldValueStr != null && oldValueStr.equals(currentValueStr)) {
                    //如過這個時候,多個線程恰好都到了這裡,但是只有一個線程的設置值和當前值相同,他才有權利獲取鎖
                    // lock acquired
                    locked = true;
                    return true;
                }
            }
            timeout -= 100;
            Thread.sleep(100);
        }
        return false;
    }

一般用法
其中很多繁瑣的邊緣代碼
包括:異常處理,釋放資源等等

        JedisPool pool;
        JedisLock jedisLock = new JedisLock(pool.getResource(), lockKey, timeoutMsecs, expireMsecs);
        try {
            if (jedisLock.acquire()) { // 啟用鎖
                //執行業務邏輯
            } else {
                logger.info("The time wait for lock more than [{}] ms ", timeoutMsecs);
            }
        } catch (Throwable t) {
            // 分布式鎖異常
            logger.warn(t.getMessage(), t);
        } finally {
            if (jedisLock != null) {
                try {
                    jedisLock.release();// 則解鎖
                } catch (Exception e) {
                }
            }
            if (jedis != null) {
                try {
                    pool.returnResource(jedis);// 還到連接池裡
                } catch (Exception e) {
                }
            }
        }

犀利用法
用匿名類來實現,代碼非常簡潔
至於SimpleLock的實現,請在我附件中下載查看

        SimpleLock lock = new SimpleLock(key);
        lock.wrap(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                //此處代碼是鎖上的
            }
        });

附件是分布式鎖的完整實現和用法,有需要交流的朋友,可以隨時留言。

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免費下載地址在 http://linux.linuxidc.com/

用戶名與密碼都是www.linuxidc.com

具體下載目錄在 /2015年資料/1月/15日/Java並發:分布式鎖

下載方法見 http://www.linuxidc.com/Linux/2013-07/87684.htm

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因為JAVA的實現和偽代碼的實現有所不同,所以仔細對比了一下

偽代碼是通過  當前時間  和  getset返回的庫裡面的時間對比  判斷誰應該拿到鎖。

JAVA實現是通過 對比兩次get 和 getset的返回值的不同,來判斷誰應該拿到鎖。

兩種實現在大多數情況都不會出問題,但是也有失敗的情況

1,偽代碼失效的情況是 設置超時時間和get的網絡開銷不相上下的時候。這樣容易讓一行三次獲取數據最後導致成功,很容易讓鎖失效,替代前一個鎖,不過這不算問題,因為設置過小的鎖超時時間本身就是程序bug,而且就算這種情況也可以保證每個獲取鎖的節點依次的進入鎖。

2,JAVA實現的失效的情況是,兩台完全同步的機器,每步代碼執行的速度都一樣,有可能讓多個節點同時拿到鎖。

個人比較贊同偽代碼中的實現。

原因是偽代碼 如果超時時間設置合理的話,後續的節點最多會把超時時間延遲個幾個毫秒,但是後續的節點都不會拿到鎖。

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