这就是你要找的分布式锁

一、缘起

提起分布式锁，相信大家或多或少在工作中实践过，甚至按捺不住造轮子的冲动还自己动手写过。楼主的工作中也看到或用到几种实现方案，有基于zk的，也有基于redis的。最近这一年，接手的老系统中就有几种手写的基于redis的分布式锁，由于实现上逻辑不严谨，线上时不时会爆出几个死锁case。那么，问题来了，什么样的分布式锁实现，才算是比较好的方案？

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二、常见分布式锁实现方案

目前，常见的分布式锁实现方案可分为下面三类，先做个简单对比：

上面对比了几种常见的方案，最后一种基本可应付工作中分布式锁的需求。然而，当偶然看到redisson分布式锁实现方案(redisson传送门)，相比上面的方案，redisson保持了简单易用、支持锁重入、支持阻塞等待、Lua脚本原子操作，不禁佩服作者精巧的构思和高超的编码能力，瞬间脑补了下面这张图。OK，话不多说，下面就来学习下redisson这个牛逼哄哄的框架，是怎么造分布式锁。

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三、Redisson分布式锁实现

redisson这个框架重度依赖了Lua脚本和Netty，如果打算兴致勃勃撸起源码就干，建议缓一缓，因为代码是在是太精炼了，各种Future及FutureListener的异步、同步操作转换。如果不知Lua脚本为何物，先到w3c花个半小时速成下。

如果要手写一个分布式锁组件，怎么做？先战略上藐视下，上来就定义它2个接口：加锁、解锁，怎么实现我不管；大道至简，redisson的作者也是这么干的，无非在加锁和解锁的执行层面采用Lua脚本，不但逼格高，而且原子性保证啊。当然，redisson的作者毕竟不一般，加锁和解锁过程中还巧妙地利用了redis的发布订阅功能，后面会讲到。下面先对加锁和解锁Lua脚本了解下。

3.1 加锁&解锁Lua脚本

上面已经意识到，加锁、解锁Lua脚本是redisson分布式锁实现最重要的组成部分。这里先抛开代码不谈，直接把Lua脚本扒出来，看看都是什么逻辑

3.1.1 加锁Lua脚本

• 脚本入参

• 脚本内容

-- 若锁不存在：则新增锁，并设置锁重入计数为1、设置锁过期时间
if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then
    redis.call('hset', KEYS[1], ARGV[2], 1);
    redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]);
    return nil;
end;

-- 若锁存在，且唯一标识也匹配：则表明当前加锁请求为锁重入请求，故锁重入计数+1，并再次设置锁过期时间
if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then
    redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1);
    redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]);
    return nil;
end;

-- 若锁存在，但唯一标识不匹配：表明锁是被其他线程占用，当前线程无权解他人的锁，直接返回锁剩余过期时间
return redis.call('pttl', KEYS[1]);

• 脚本解读

Q：返回nil、返回剩余过期时间有什么目的？
A：当且仅当返回nil，才表示加锁成功；客户端需要感知加锁是否成功的结果

3.1.2 解锁Lua脚本

• 脚本入参
  

• 脚本内容

-- 若锁不存在：则直接广播解锁消息，并返回1
if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then
    redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]);
    return 1; 
end;

-- 若锁存在，但唯一标识不匹配：则表明锁被其他线程占用，当前线程不允许解锁其他线程持有的锁
if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[3]) == 0) then
    return nil;
end; 

-- 若锁存在，且唯一标识匹配：则先将锁重入计数减1
local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[3], -1); 
if (counter > 0) then 
    -- 锁重入计数减1后还大于0：表明当前线程持有的锁还有重入，不能进行锁删除操作，但可以友好地帮忙设置下过期时期
    redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]); 
    return 0; 
else 
    -- 锁重入计数已为0：间接表明锁已释放了。直接删除掉锁，并广播解锁消息，去唤醒那些争抢过锁但还处于阻塞中的线程
    redis.call('del', KEYS[1]); 
    redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); 
    return 1;
end;

return nil;

• 脚本解读
  

Q1：广播解锁消息有什么用？
A：是为了通知其他争抢锁阻塞住的线程，从阻塞中解除，并再次去争抢锁。

Q2：返回值0、1、nil有什么不一样？
A：当且仅当返回1，才表示当前请求真正触发了解锁Lua脚本；但客户端又并不关心解锁请求的返回值，好像没什么用。

3.2 源码走读

3.2.1 加锁流程源码

有了上面Lua脚本知识，看加锁源码时，直接把tryAcquire(leaseTime, unit, threadId)方法直接视为执行加锁Lua脚本，就不用跟进去看。下面直接切入org.redisson.RedissonLock#tryLock(long, long, java.util.concurrent.TimeUnit)源码

    @Override
    public boolean tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        // 获取锁能容忍的最大等待时长
        long time = unit.toMillis(waitTime);
        long current = System.currentTimeMillis();
        final long threadId = Thread.currentThread().getId();

        // 【核心点1】尝试获取锁，若返回值为null，则表示已获取到锁
        Long ttl = tryAcquire(leaseTime, unit, threadId);
        // lock acquired
        if (ttl == null) {
            return true;
        }
        
        // 还可以容忍的等待时长=获取锁能容忍的最大等待时长 - 执行完上述操作流逝的时间
        time -= (System.currentTimeMillis() - current);
        if (time <= 0) {
            acquireFailed(threadId);
            return false;
        }
        
        current = System.currentTimeMillis();
        // 【核心点2】订阅解锁消息，见org.redisson.pubsub.LockPubSub#onMessage
        final RFuture<RedissonLockEntry> subscribeFuture = subscribe(threadId);
        if (!await(subscribeFuture, time, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
            if (!subscribeFuture.cancel(false)) {
                subscribeFuture.addListener(new FutureListener<RedissonLockEntry>() {
                    @Override
                    public void operationComplete(Future<RedissonLockEntry> future) throws Exception {
                        if (subscribeFuture.isSuccess()) {
                            unsubscribe(subscribeFuture, threadId);
                        }
                    }
                });
            }
            acquireFailed(threadId);
            return false;
        }
        
        // 订阅成功
        try {
            // 还可以容忍的等待时长=获取锁能容忍的最大等待时长 - 执行完上述操作流逝的时间
            time -= (System.currentTimeMillis() - current);
            if (time <= 0) {
                // 超出可容忍的等待时长，直接返回获取锁失败
                acquireFailed(threadId);
                return false;
            }
        
            while (true) {
                long currentTime = System.currentTimeMillis();
                // 尝试获取锁；如果锁被其他线程占用，就返回锁剩余过期时间【同上】
                ttl = tryAcquire(leaseTime, unit, threadId);
                // lock acquired
                if (ttl == null) {
                    return true;
                }

                time -= (System.currentTimeMillis() - currentTime);
                if (time <= 0) {
                    acquireFailed(threadId);
                    return false;
                }

                // waiting for message
                currentTime = System.currentTimeMillis();
                
                // 【核心点3】根据锁TTL，调整阻塞等待时长；
                // 注意：这里实现非常巧妙，1、latch其实是个信号量Semaphore，调用其tryAcquire方法会让当前线程阻塞一段时间，避免了在while循环中频繁请求获取锁；2、该Semaphore的release方法，会在订阅解锁消息的监听器消息处理方法org.redisson.pubsub.LockPubSub#onMessage调用；当其他线程释放了占用的锁，会广播解锁消息，监听器接收解锁消息，并释放信号量，最终会唤醒阻塞在这里的线程。
                if (ttl >= 0 && ttl < time) {
                    getEntry(threadId).getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);
                } else {
                    getEntry(threadId).getLatch().tryAcquire(time, TimeUnit.MILLISECONDS);
                }

                time -= (System.currentTimeMillis() - currentTime);
                if (time <= 0) {
                    acquireFailed(threadId);
                    return false;
                }
            }
        } finally {
            // 取消解锁消息的订阅
            unsubscribe(subscribeFuture, threadId);
        }
    }

接下的再具体看看解锁中获取锁的方法 tryAcquire方法实现，真的就是执行Lua脚本，没骗人！

private Long tryAcquire(long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId) {
    // tryAcquireAsync异步执行Lua脚本，get方法同步获取返回结果
    return get(tryAcquireAsync(leaseTime, unit, threadId));
}

//  见org.redisson.RedissonLock#tryAcquireAsync
private <T> RFuture<Long> tryAcquireAsync(long leaseTime, TimeUnit unit, final long threadId) {
    if (leaseTime != -1) {
        // 实质是异步执行加锁Lua脚本
        return tryLockInnerAsync(leaseTime, unit, threadId, RedisCommands.EVAL_LONG);
    }
    RFuture<Long> ttlRemainingFuture = tryLockInnerAsync(commandExecutor.getConnectionManager().getCfg().getLockWatchdogTimeout(), TimeUnit.MILLISECONDS, threadId, RedisCommands.EVAL_LONG);
    ttlRemainingFuture.addListener(new FutureListener<Long>() {
        @Override
        public void operationComplete(Future<Long> future) throws Exception {
            if (!future.isSuccess()) {
                return;
            }

            Long ttlRemaining = future.getNow();
            // lock acquired
            if (ttlRemaining == null) {
                scheduleExpirationRenewal(threadId);
            }
        }
    });
    return ttlRemainingFuture;
}

// 见org.redisson.RedissonLock#tryLockInnerAsync
<T> RFuture<T> tryLockInnerAsync(long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId, RedisStrictCommand<T> command) {
    internalLockLeaseTime = unit.toMillis(leaseTime);

    return commandExecutor.evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, command,
              "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then " +
                  "redis.call('hset', KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
                  "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +
                  "return nil; " +
              "end; " +
              "if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then " +
                  "redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
                  "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +
                  "return nil; " +
              "end; " +
              "return redis.call('pttl', KEYS[1]);",
                Collections.<Object>singletonList(getName()), internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));
}

加锁过程小结

1、锁其实就是种资源，各线程争抢锁操作对应到redisson中就是争抢着去创建一个hash结构，谁先创建就代表谁持有锁；hash的名称为锁名，hash里面内容仅包含一条键值对，键为redisson客户端唯一标识+持有锁线程id，值为锁重入计数；给hash设置的过期时间就是锁的过期时间。放个图直观感受下：

2、加锁流程核心就3步
Step1：尝试获取锁，这一步是通过执行加锁Lua脚本来做；
Step2：若第一步未获取到锁，则去订阅解锁消息，当获取锁到剩余过期时间后，调用信号量方法阻塞住，直到被唤醒或等待超时
Step3：一旦持有锁的线程释放了锁，就会广播解锁消息。于是，第二步中的解锁消息的监听器会释放信号量，获取锁被阻塞的那些线程就会被唤醒，并重新尝试获取锁。

3.2.2 解锁流程源码

解锁流程相对比较简单，完全就是执行解锁Lua脚本，无额外的代码逻辑，直接看org.redisson.RedissonLock#unlock代码

   @Override
    public void unlock() {
        // 执行解锁Lua脚本，这里传入线程id，是为了保证加锁和解锁是同一个线程，避免误解锁其他线程占有的锁
        Boolean opStatus = get(unlockInnerAsync(Thread.currentThread().getId()));
        if (opStatus == null) {
            throw new IllegalMonitorStateException("attempt to unlock lock, not locked by current thread by node id: "
                    + id + " thread-id: " + Thread.currentThread().getId());
        }
        if (opStatus) {
            cancelExpirationRenewal();
        }
    }

// 见org.redisson.RedissonLock#unlockInnerAsync
protected RFuture<Boolean> unlockInnerAsync(long threadId) {
    return commandExecutor.evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, RedisCommands.EVAL_BOOLEAN,
            "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then " +
                "redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); " +
                "return 1; " +
            "end;" +
            "if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[3]) == 0) then " +
                "return nil;" +
            "end; " +
            "local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[3], -1); " +
            "if (counter > 0) then " +
                "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]); " +
                "return 0; " +
            "else " +
                "redis.call('del', KEYS[1]); " +
                "redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); " +
                "return 1; "+
            "end; " +
            "return nil;",
            Arrays.<Object>asList(getName(), getChannelName()), LockPubSub.unlockMessage, internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));

}

3.3 加锁&解锁流程串起来

上面结合Lua脚本和源码，分别分析了加锁流程和解锁流程。下面升级下挑战难度，模拟下多个线程争抢锁会是怎样的流程。示意图如下，比较关键的三处已用红色字体标注。

概括下整个流程

1、线程A和线程B两个线程同时争抢锁。线程A很幸运，最先抢到了锁。线程B在获取锁失败后，并未放弃希望，而是主动订阅了解锁消息，然后再尝试获取锁，顺便看看没有抢到的这把锁还有多久就过期，线程B就按需阻塞等锁释放。

2、线程A拿着锁干完了活，自觉释放了持有的锁，于此同时广播了解锁消息，通知其他抢锁的线程再来枪；

3、解锁消息的监听者LockPubSub收到消息后，释放自己持有的信号量；线程B就瞬间从阻塞中被唤醒了，接着再抢锁，这次终于抢到锁了！后面再按部就班，干完活，解锁。

3.4 其他料

Q1：订阅频道名称(如:redisson_lock__channel:{my_lock_name})为什么有大括号？
A：
1.在redis集群方案中，如果Lua脚本涉及多个key的操作，则需限制这些key在同一个slot中，才能保障Lua脚本执行的原子性。否则运行会报错Lua script attempted to access a non local key in a cluster node . channel；
2.HashTag是用{}包裹key的一个子串，若设置了HashTag，集群会根据HashTag决定key分配到哪个slot；HashTag不支持嵌套，只有第一个左括号{和第一个右括号}里面的内容才当做HashTag参与slot计算；通常，客户端都会封装这个计算逻辑。

// 见org.redisson.cluster.ClusterConnectionManager#calcSlot
@Override
public int calcSlot(String key) {
    if (key == null) {
        return 0;
    }

    int start = key.indexOf('{');
    if (start != -1) {
        int end = key.indexOf('}');
        key = key.substring(start+1, end);
    }

    int result = CRC16.crc16(key.getBytes()) % MAX_SLOT;
    log.debug("slot {} for {}", result, key);
    return result;
}

3.在解锁Lua脚本中，操作了两个key：一个是锁名my_lock_name，一个是解锁消息发布订阅频道redisson_lock__channel:{my_lock_name}，按照上面slot计算方式，两个key都会按照内容my_lock_name来计算，故能保证落到同一个slot

Q2：redisson代码几乎都是以Lua脚本方式与redis服务端交互，如何跟踪这些脚本执行过程？
A：启动一个redis客户端终端，执行monitor命令以便在终端上实时打印 redis 服务器接收到的命令；然后debug执行redisson加锁/解锁测试用例，即可看到代码运行过程中实际执行了哪些Lua脚本

eg：上面整体流程示意图的执行的Lua脚本如下:

加锁：redissonClient.getLock(“my_lock_name”).tryLock(600000, 600000);
解锁：redissonClient.getLock(“my_lock_name”).unlock();

# 线程A
## 1.1.1尝试获取锁 -> 成功
1568357723.205362 [0 127.0.0.1:56419] "EVAL" "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then redis.call('hset', KEYS[1], ARGV[2], 1); redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); return nil; end; if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1); redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); return nil; end; return redis.call('pttl', KEYS[1]);" "1" "my_lock_name" "600000" "58c62432-bb74-4d14-8a00-9908cc8b828f:1"
1568357723.205452 [0 lua] "exists" "my_lock_name"
1568357723.208858 [0 lua] "hset" "my_lock_name" "58c62432-bb74-4d14-8a00-9908cc8b828f:1" "1"
1568357723.208874 [0 lua] "pexpire" "my_lock_name" "600000"


# 线程B
### 2.1.1尝试获取锁，未获取到，返回锁剩余过期时间
1568357773.338018 [0 127.0.0.1:56417] "EVAL" "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then redis.call('hset', KEYS[1], ARGV[2], 1); redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); return nil; end; if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1); redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); return nil; end; return redis.call('pttl', KEYS[1]);" "1" "my_lock_name" "600000" "58c62432-bb74-4d14-8a00-9908cc8b828f:26"
1568357773.338161 [0 lua] "exists" "my_lock_name"
1568357773.338177 [0 lua] "hexists" "my_lock_name" "58c62432-bb74-4d14-8a00-9908cc8b828f:26"
1568357773.338197 [0 lua] "pttl" "my_lock_name"


## 2.1.1.3 添加订阅（非Lua脚本） -> 订阅成功
1568357799.403341 [0 127.0.0.1:56421] "SUBSCRIBE" "redisson_lock__channel:{my_lock_name}"


## 2.1.1.4 再次尝试获取锁 -> 未获取到，返回锁剩余过期时间
1568357830.683631 [0 127.0.0.1:56418] "EVAL" "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then redis.call('hset', KEYS[1], ARGV[2], 1); redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); return nil; end; if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1); redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); return nil; end; return redis.call('pttl', KEYS[1]);" "1" "my_lock_name" "600000" "58c62432-bb74-4d14-8a00-9908cc8b828f:26"
1568357830.684371 [0 lua] "exists" "my_lock_name"
1568357830.684428 [0 lua] "hexists" "my_lock_name" "58c62432-bb74-4d14-8a00-9908cc8b828f:26"
1568357830.684485 [0 lua] "pttl" "my_lock_name"


# 线程A
## 3.1.1 释放锁并广播解锁消息，0代表解锁消息
1568357922.122454 [0 127.0.0.1:56420] "EVAL" "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); return 1; end;if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[3]) == 0) then return nil;end; local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[3], -1); if (counter > 0) then redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]); return 0; else redis.call('del', KEYS[1]); redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); return 1; end; return nil;" "2" "my_lock_name" "redisson_lock__channel:{my_lock_name}" "0" "30000" "58c62432-bb74-4d14-8a00-9908cc8b828f:1"
1568357922.123645 [0 lua] "exists" "my_lock_name"
1568357922.123701 [0 lua] "hexists" "my_lock_name" "58c62432-bb74-4d14-8a00-9908cc8b828f:1"
1568357922.123741 [0 lua] "hincrby" "my_lock_name" "58c62432-bb74-4d14-8a00-9908cc8b828f:1" "-1"
1568357922.123775 [0 lua] "del" "my_lock_name"
1568357922.123799 [0 lua] "publish" "redisson_lock__channel:{my_lock_name}" "0"


# 线程B
## 监听到解锁消息消息 -> 释放信号量，阻塞被解除；4.1.1.1 再次尝试获取锁  -> 获取成功
1568357975.015206 [0 127.0.0.1:56419] "EVAL" "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then redis.call('hset', KEYS[1], ARGV[2], 1); redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); return nil; end; if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1); redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); return nil; end; return redis.call('pttl', KEYS[1]);" "1" "my_lock_name" "600000" "58c62432-bb74-4d14-8a00-9908cc8b828f:26"
1568357975.015579 [0 lua] "exists" "my_lock_name"
1568357975.015633 [0 lua] "hset" "my_lock_name" "58c62432-bb74-4d14-8a00-9908cc8b828f:26" "1"
1568357975.015721 [0 lua] "pexpire" "my_lock_name" "600000"

## 4.1.1.3 取消订阅（非Lua脚本）
1568358031.185226 [0 127.0.0.1:56421] "UNSUBSCRIBE" "redisson_lock__channel:{my_lock_name}"


# 线程B
## 5.1.1 释放锁并广播解锁消息
1568358255.551896 [0 127.0.0.1:56417] "EVAL" "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); return 1; end;if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[3]) == 0) then return nil;end; local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[3], -1); if (counter > 0) then redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]); return 0; else redis.call('del', KEYS[1]); redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); return 1; end; return nil;" "2" "my_lock_name" "redisson_lock__channel:{my_lock_name}" "0" "30000" "58c62432-bb74-4d14-8a00-9908cc8b828f:26"
1568358255.552125 [0 lua] "exists" "my_lock_name"
1568358255.552156 [0 lua] "hexists" "my_lock_name" "58c62432-bb74-4d14-8a00-9908cc8b828f:26"
1568358255.552200 [0 lua] "hincrby" "my_lock_name" "58c62432-bb74-4d14-8a00-9908cc8b828f:26" "-1"
1568358255.552258 [0 lua] "del" "my_lock_name"
1568358255.552304 [0 lua] "publish" "redisson_lock__channel:{my_lock_name}" "0"