Redisson分布式鎖的源碼解讀分享

更新時間：2022年11月07日 15:36:08 作者：王谷雨

Redisson是一個在Redis的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的Java駐內(nèi)存數(shù)據(jù)網(wǎng)格（In-Memory?Data?Grid）。Redisson有一樣功能是可重入的分布式鎖。本文來討論一下這個功能的特點(diǎn)以及源碼分析

前言

Redisson是一個在Redis的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的Java駐內(nèi)存數(shù)據(jù)網(wǎng)格（In-Memory Data Grid）。Redisson有一樣功能是可重入的分布式鎖。本文來討論一下這個功能的特點(diǎn)以及源碼分析。

前置知識

在講Redisson，咱們先來聊聊分布式鎖的特點(diǎn)以及Redis的發(fā)布/訂閱機(jī)制，磨刀不誤砍柴工。

分布式鎖的思考

首先思考下，如果我們自己去實(shí)現(xiàn)一個分布式鎖，這個鎖需要具備哪些功能？

互斥（這是一個鎖最基本的功能）
鎖失效機(jī)制（也就是可以設(shè)置鎖定時長，防止死鎖）
高性能、高可用
阻塞、非阻塞
可重入、公平鎖
。。。

可見，實(shí)現(xiàn)一個分布式鎖，需要考慮的東西有很多。那么，如果用Redis來實(shí)現(xiàn)分布式鎖呢？如果只需要具備上面說的1、2點(diǎn)功能，要怎么寫？（ps：我就不寫了，自己想去）

Redis訂閱/發(fā)布機(jī)制

Redisson中用到了Redis的訂閱/發(fā)布機(jī)制，下面簡單介紹下。

簡單來說就是如果client2 、 client5 和 client1 訂閱了 channel1，當(dāng)有消息發(fā)布到 channel1 的時候，client2 、 client5 和 client1 都會收到這個消息。

圖片來自菜鳥教程-Redis發(fā)布訂閱

Redisson

源碼版本：3.17.7

下面以Redisson官方的可重入同步鎖例子為入口，解讀下源碼。

RLock lock = redisson.getLock("anyLock");
// 嘗試加鎖，最多等待100秒，上鎖以后10秒自動解鎖
boolean res = lock.tryLock(100, 10, TimeUnit.SECONDS);
if (res) {
   try {
     ...
   } finally {
       lock.unlock();
   }
}

加鎖

我用時序圖來表示加鎖和訂閱的過程。時序圖中括號后面的c1、c2代表client1，client2

當(dāng)線程2獲取了鎖但還沒釋放鎖時，如果線程1去獲取鎖，會阻塞等待，直到線程2解鎖，通過Redis的發(fā)布訂閱機(jī)制喚醒線程1,再次去獲取鎖。

加鎖方法是 lock.tryLock(100, 10, TimeUnit.SECONDS)，對應(yīng)著就是RedissonLock#tryLock

/**
 * 獲取鎖
 * @param waitTime  嘗試獲取鎖的最大等待時間，超過這個值，則認(rèn)為獲取鎖失敗
 * @param leaseTime 鎖的持有時間,超過這個時間鎖會自動失效（值應(yīng)設(shè)置為大于業(yè)務(wù)處理的時間，確保在鎖有效期內(nèi)業(yè)務(wù)能處理完）
 * @param unit 時間單位
 * @return 獲取鎖成功返回true，失敗返回false
 */
@Override
public boolean tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    long time = unit.toMillis(waitTime);
    long current = System.currentTimeMillis();// 當(dāng)前時間
    long threadId = Thread.currentThread().getId();// 當(dāng)前線程id
 
    // 嘗試加鎖，加鎖成功返回null，失敗返回鎖的剩余超時時間
    Long ttl = tryAcquire(waitTime, leaseTime, unit, threadId);
    // 獲取鎖成功
    if (ttl == null) {
        return true;
    }
 
    // time小于0代表此時已經(jīng)超過獲取鎖的等待時間，直接返回false
    time -= System.currentTimeMillis() - current;
    if (time <= 0) {
        // 沒看懂這個方法，里面里面空運(yùn)行，有知道的大神還請不吝賜教
        acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
        return false;
    }
    
    current = System.currentTimeMillis();
    CompletableFuture<RedissonLockEntry> subscribeFuture = subscribe(threadId);
    try {
        subscribeFuture.get(time, TimeUnit.MILLISECONDS);
    } catch (TimeoutException e) {
        if (!subscribeFuture.cancel(false)) {
            subscribeFuture.whenComplete((res, ex) -> {
                // 出現(xiàn)異常，取消訂閱
                if (ex == null) {
                    unsubscribe(res, threadId);
                }
            });
        }
        acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
        return false;
    } catch (ExecutionException e) {
        acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
        return false;
    }
 
    try {
        // 判斷是否超時（超過了waitTime）
        time -= System.currentTimeMillis() - current;
        if (time <= 0) {
            acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
            return false;
        }
    
        while (true) {
            // 再次獲取鎖，成功則返回
            long currentTime = System.currentTimeMillis();
            ttl = tryAcquire(waitTime, leaseTime, unit, threadId);
            // lock acquired
            if (ttl == null) {
                return true;
            }
 
            time -= System.currentTimeMillis() - currentTime;
            if (time <= 0) {
                acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
                return false;
            }
 
            // 阻塞等待信號量喚醒或者超時，接收到訂閱時喚醒
            // 使用的是Semaphore#tryAcquire()
            currentTime = System.currentTimeMillis();
            if (ttl >= 0 && ttl < time) {
                commandExecutor.getNow(subscribeFuture).getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);
            } else {
                commandExecutor.getNow(subscribeFuture).getLatch().tryAcquire(time, TimeUnit.MILLISECONDS);
            }
 
            time -= System.currentTimeMillis() - currentTime;
            if (time <= 0) {
                acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
                return false;
            }
        }
    } finally {
        // 因?yàn)槭峭讲僮?，所以無論加鎖成功或失敗，都取消訂閱
        unsubscribe(commandExecutor.getNow(subscribeFuture), threadId);
    }
//        return get(tryLockAsync(waitTime, leaseTime, unit));
}

先看一下整體邏輯：

1.嘗試加鎖，成功直接返回true

2.判斷超時

3.訂閱

4.判斷超時

5.循環(huán) （嘗試獲取鎖 → 判斷超時 → 阻塞等待）

tryLock方法看著很長，但是有很多代碼都是重復(fù)的，本小節(jié)重點(diǎn)說一下嘗試加鎖的方法tryAcquire

private Long tryAcquire(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId) {
    return get(tryAcquireAsync(waitTime, leaseTime, unit, threadId));
}
 
private <T> RFuture<Long> tryAcquireAsync(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId) {
    RFuture<Long> ttlRemainingFuture;
    if (leaseTime > 0) {
        // 調(diào)用lua腳本，嘗試加鎖
        ttlRemainingFuture = tryLockInnerAsync(waitTime, leaseTime, unit, threadId, RedisCommands.EVAL_LONG);
    } else {
        // 這里的if、else的區(qū)別就在于，如果沒有設(shè)置leaseTime，就使用默認(rèn)的internalLockLeaseTime（默認(rèn)30秒）
        ttlRemainingFuture = tryLockInnerAsync(waitTime, internalLockLeaseTime,
                TimeUnit.MILLISECONDS, threadId, RedisCommands.EVAL_LONG);
    }
    CompletionStage<Long> f = ttlRemainingFuture.thenApply(ttlRemaining -> {
        // lock acquired
        // 如果ttlRemaining為空，也就是tryLockInnerAsync方法中的lua執(zhí)行結(jié)果返回空，證明獲取鎖成功
        if (ttlRemaining == null) {
            if (leaseTime > 0) {
                internalLockLeaseTime = unit.toMillis(leaseTime);
            } else {
                // 如果沒有設(shè)置鎖的持有時間（leaseTime），則啟動看門狗，定時給鎖續(xù)期，防止業(yè)務(wù)邏輯未執(zhí)行完成鎖就過期了
                scheduleExpirationRenewal(threadId);
            }
        }
        return ttlRemaining;
    });
    return new CompletableFutureWrapper<>(f);
}

在tryAcquireAsync方法中，主要分為兩段邏輯：

1.調(diào)用lua腳本加鎖：tryLockInnerAsync

2.看門狗：scheduleExpirationRenewal

看門狗在后面講，本小節(jié)重點(diǎn)還是在加鎖

// RedissonLock#tryLockInnerAsync
<T> RFuture<T> tryLockInnerAsync(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId, RedisStrictCommand<T> command) {
    return evalWriteAsync(getRawName(), LongCodec.INSTANCE, command,
            "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then " +
                    "redis.call('hincrby', 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.singletonList(getRawName()), unit.toMillis(leaseTime), getLockName(threadId));
}

Redisson使用了 Hash 結(jié)構(gòu)來表示一個鎖，這樣 Hash 里面的 key 為線程id，value 為鎖的次數(shù)。這樣巧妙地解決了可重入鎖的問題。

下面我們來分析下這段 lua 腳本的邏輯（下面說的threadId都是指變量，不是說key就叫’threadId’）：

如果鎖（hash結(jié)構(gòu)）不存在，則創(chuàng)建，并添加一個鍵值對（threadId : 1），并設(shè)置鎖的過期時間
如果鎖存在，則將鍵值對 threadId 對應(yīng)的值 + 1，并設(shè)置鎖的過期時間
如果不如何1,2點(diǎn)，則返回鎖的剩余過期時間

讓我們把視線重新回到RedissonLock#tryLock中，當(dāng)經(jīng)過一些嘗試獲取鎖，超時判斷之后，代碼來到while循環(huán)中。這個while循環(huán)是個死循環(huán)，只有成功獲取鎖或者超時，才會退出。一般死循環(huán)的設(shè)計(jì)中，都會有阻塞等待的代碼，否則如果循環(huán)中的邏輯短時間拿不到結(jié)果，會造成資源搶占和浪費(fèi)。阻塞代碼就是下面這段

if (ttl >= 0 && ttl < time) {
    commandExecutor.getNow(subscribeFuture).getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);
} else {
    commandExecutor.getNow(subscribeFuture).getLatch().tryAcquire(time, TimeUnit.MILLISECONDS);
}

commandExecutor.getNow(subscribeFuture).getLatch() 得到的是一個Semaphore信號量對象，這是jdk的內(nèi)置對象，Semaphore#tryAcquire表示阻塞并等待喚醒。那么信號量什么時候被喚醒呢？在訂閱方法中RedissonLock#subscribe。訂閱方法的邏輯也不少，咱們直接講其最終調(diào)用的處理方法

// LockPubSub#onMessage
protected void onMessage(RedissonLockEntry value, Long message) {
    // 普通的解鎖走的是這個
    if (message.equals(UNLOCK_MESSAGE)) {
        Runnable runnableToExecute = value.getListeners().poll();
        if (runnableToExecute != null) {
            runnableToExecute.run();
        }
        // 這里就是喚醒信號量的地方
        value.getLatch().release();
    // 這個是讀寫鎖用的
    } else if (message.equals(READ_UNLOCK_MESSAGE)) {
        while (true) {
            Runnable runnableToExecute = value.getListeners().poll();
            if (runnableToExecute == null) {
                break;
            }
            runnableToExecute.run();
        }
 
        value.getLatch().release(value.getLatch().getQueueLength());
    }
}

value.getLatch().release() 也就是Semaphore#release ，會喚醒Semaphore#tryAcquire阻塞的線程

解鎖

上面我們聊了加鎖，本小節(jié)來聊下解鎖。調(diào)用路徑如下

// RedissonLock#unlock
// RedissonBaseLock#unlockAsync(long threadId)
public RFuture<Void> unlockAsync(long threadId) {
    // 調(diào)用lua解鎖
    RFuture<Boolean> future = unlockInnerAsync(threadId);
 
    CompletionStage<Void> f = future.handle((opStatus, e) -> {
        // 取消看門狗
        cancelExpirationRenewal(threadId);
 
        if (e != null) {
            throw new CompletionException(e);
        }
        if (opStatus == null) {
            IllegalMonitorStateException cause = new IllegalMonitorStateException("attempt to unlock lock, not locked by current thread by node id: "
                    + id + " thread-id: " + threadId);
            throw new CompletionException(cause);
        }
 
        return null;
    });
 
    return new CompletableFutureWrapper<>(f);
}

解鎖的邏輯不復(fù)雜，調(diào)用lua腳本解鎖以及取消看門狗?？撮T狗晚點(diǎn)說，先說下lua解鎖

// RedissonLock#unlockInnerAsync
protected RFuture<Boolean> unlockInnerAsync(long threadId) {
    return evalWriteAsync(getRawName(), LongCodec.INSTANCE, RedisCommands.EVAL_BOOLEAN,
            "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.asList(getRawName(), getChannelName()), LockPubSub.UNLOCK_MESSAGE, internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));
}

老規(guī)矩，分析下這段lua：

如果鎖不存在，返回null
鎖的值減1，如果鎖的值大于0（也就是可重入鎖仍然有加鎖次數(shù)），則重新設(shè)置過期時間
如果鎖的值小于等于0，這說明可以真正解鎖了，刪除鎖并通過發(fā)布訂閱機(jī)制發(fā)布解鎖消息

從 lua 中可以看到，解鎖時會發(fā)布消息到 channel 中，加鎖方法RedissonLock#tryLock中有相對應(yīng)的訂閱操作。

看門狗

試想一個場景：程序執(zhí)行需要10秒，程序執(zhí)行完成才去解鎖，而鎖的存活時間只有5秒，也就是程序執(zhí)行到一半的時候鎖就可以被其他程序獲取了，這顯然不合適。那么怎么解決呢？

方式一：鎖永遠(yuǎn)存在，直到解鎖。不設(shè)置存活時間。

這種方法的弊端在于，如果程序沒解鎖就掛了，鎖就成了死鎖

方式二：依然設(shè)置鎖存活時間，但是監(jiān)控程序的執(zhí)行，如果程序還沒有執(zhí)行完成，則定期給鎖續(xù)期。

方式二就是Redisson的看門狗機(jī)制?？撮T狗只有在沒有顯示指定鎖的持有時間（leaseTime）時才會生效。

// RedissonLock#tryAcquireAsync
// RedissonBaseLock#scheduleExpirationRenewal
protected void scheduleExpirationRenewal(long threadId) {
    // 創(chuàng)建ExpirationEntry，并放入EXPIRATION_RENEWAL_MAP中，下面的renewExpiration()方法會從map中再拿出來用
    ExpirationEntry entry = new ExpirationEntry();
    ExpirationEntry oldEntry = EXPIRATION_RENEWAL_MAP.putIfAbsent(getEntryName(), entry);
    if (oldEntry != null) {
        oldEntry.addThreadId(threadId);
    } else {
        entry.addThreadId(threadId);
        try {
            // 看門狗的具體邏輯
            renewExpiration();
        } finally {
            // 如果線程被中斷了，就取消看門狗
            if (Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                // 取消看門狗
                cancelExpirationRenewal(threadId);
            }
        }
    }
}

scheduleExpirationRenewal 方法處理了ExpirationEntry和如果出現(xiàn)異常則取消看門狗，具體看門狗邏輯在 renewExpiration 方法中

private void renewExpiration() {
    ExpirationEntry ee = EXPIRATION_RENEWAL_MAP.get(getEntryName());
    if (ee == null) {
        return;
    }
 
    // 創(chuàng)建延時任務(wù)，延時時間是internalLockLeaseTime / 3
    Timeout task = commandExecutor.getConnectionManager().newTimeout(new TimerTask() {
        @Override
        public void run(Timeout timeout) throws Exception {
            ExpirationEntry ent = EXPIRATION_RENEWAL_MAP.get(getEntryName());
            if (ent == null) {
                return;
            }
            Long threadId = ent.getFirstThreadId();
            if (threadId == null) {
                return;
            }
 
            // lua腳本判斷，如果鎖存在，則續(xù)期并返回true，不存在則返回false
            CompletionStage<Boolean> future = renewExpirationAsync(threadId);
            future.whenComplete((res, e) -> {
                if (e != null) {
                    log.error("Can't update lock " + getRawName() + " expiration", e);
                    EXPIRATION_RENEWAL_MAP.remove(getEntryName());
                    return;
                }
                
                if (res) {
                    // 鎖續(xù)期成功，則再啟動一個延時任務(wù)，繼續(xù)監(jiān)測
                    renewExpiration();
                } else {
                    // 取消看門狗
                    cancelExpirationRenewal(null);
                }
            });
        }
    }, internalLockLeaseTime / 3, TimeUnit.MILLISECONDS);
    
    ee.setTimeout(task);
}

Timeout 是一個延時任務(wù)，延時 internalLockLeaseTime / 3 時間執(zhí)行。任務(wù)的內(nèi)容主要是通過 renewExpirationAsync 方法對鎖進(jìn)行續(xù)期，如果續(xù)期失?。ń怄i了、鎖到期等），則取消看門狗，如果續(xù)期成功，則遞歸 renewExpiration 方法，繼續(xù)創(chuàng)建延時任務(wù)。

internalLockLeaseTime 也就是 lockWatchdogTimeout 參數(shù)，默認(rèn)是 30 秒。

以上就是Redisson分布式鎖的源碼解讀分享的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Redisson分布式鎖的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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