图解Redisson如何实现分布式锁、锁续约？

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了图解Redisson如何实现分布式锁、锁续约？。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

一、基础

0）Redisson版本说明、案例

使用当前（2022年12月初）最新的版本：3.18.1；

<dependency>
    <groupId>org.redisson</groupId>
    <artifactId>redisson</artifactId>
    <version>3.18.1</version>
</dependency>

案例

案例采用redis-cluster集群的方式；

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1.配置Redis-Cluster集群节点的ip和port 
        Config config = new Config();
        config.useClusterServers()
                .addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7001")
                .addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7002")
                .addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7003")
                .addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7004");
        // 2.创建Redisson的客户端 
        RedissonClient redisson = Redisson.create(config);
        // 3.测试Redisson可重⼊锁的加锁、释放锁
        testLock(redisson);
    }

    private static void testLock(RedissonClient redisson) throws InterruptedException {
        // 1.获取key为"anyLock"的锁对象
        final RLock lock = redisson.getLock("test_lock");
        boolean locked = true;
        try {
            //2.1：加锁 
            lock.lock();
            // 2.2：加锁，并设置尝试获取锁超时时间30s、锁超时⾃动释放的时间10s 
//            locked = lock.tryLock(30, 10, TimeUnit.SECONDS);
            if (locked)
                System.out.println("加锁成功！" + new Date());
            
            Thread.sleep(20 * 1000);
            System.out.println("锁逻辑执行完毕！" + new Date());

        } finally {
            // 3.释放锁 
            lock.unlock();
        }
    }
}

1）Redisson连接Redis的方式

redission支持4种连接redis方式，分别为单机、主从、Sentinel、Cluster 集群；在分布式锁的实现上区别在于hash槽的获取方式。

具体配置方式见Redisson的GitHub（https://github.com/redisson/redisson/wiki/2.-%E9%85%8D%E7%BD%AE%E6%96%B9%E6%B3%95#21-%E7%A8%8B%E5%BA%8F%E5%8C%96%E9%85%8D%E7%BD%AE%E6%96%B9%E6%B3%95）

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2）用到的Redis命令

分布式锁主要需要以下redis命令：

EXISTS key：当 key 存在，返回1；不存在，返回0。

GETSET key value：将给定 key 的值设为 value ，并返回 key 的旧值 (old value)；当 key 存在但不是字符串类型时，返回一个错误；当key不存在时，返回nil。

GET key：返回 key 所关联的字符串值，如果 key 不存在那么返回 nil。
DEL key [KEY …]：删除给定的一个或多个 key（不存在的 key 会被忽略），返回实际删除的key的个数（integer）。
DEL key1 key2 key3
HSET key field value：给一个key 设置一个{field=value}的组合值，如果key没有就直接赋值并返回1；如果field已有，那么就更新value的值，并返回0。

HEXISTS key field：当key中存储着field的时候返回1，如果key或者field有一个不存在返回0。

HINCRBY key field increment：将存储在key中的哈希（Hash）对象中的指定字段field的值加上增量increment；

如果键key不存在，一个保存了哈希对象{field=value}的key将被创建；

如果字段field不存在，在进行当前操作前，feild将被创建，且对应的值被置为0；返回值是increment。

PEXPIRE key milliseconds：设置存活时间，单位是毫秒。EXPIRE操作单位是秒。

PUBLISH channel message：向channel post一个message内容的消息，返回接收消息的客户端数。

3）用到的lua脚本语义

Redisson源码中，执行redis命令的是lua脚本，其中主要有如下几个概念：

redis.call()：执行redis命令。

KEYS[n]：指脚本中第n个参数，比如KEYS[1]指脚本中的第一个参数。

ARGV[n]：指脚本中第n个参数的值，比如ARGV[1]指脚本中的第一个参数的值。

返回值中nil与false同一个意思。

在redis执行lua脚本时，相当于一个redis级别的锁，不能执行其他操作，类似于原子操作，这也是redisson实现的一个关键点。

另外，如果lua脚本执行过程中出现了异常或者redis服务器宕机了，会将脚本中已经执行的命令在AOF、RDB日志中删除；即LUA脚本执行报错会进行回滚操作。

二、源码分析

1、RLock

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RLock接口主要继承了Lock接口，并扩展了部分方法，比如：tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit)方法中加入的leaseTime参数，用来设置锁的过期时间，如果超过leaseTime还没有解锁的话，redis就强制解锁；leaseTime的默认时间是30s。

获取RLock对象

RLock lock = redissonClient.getLock("test_lock");

RLock对象表示⼀个锁对象，我们要某一个key加锁时，需要先获取⼀个锁对象。

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这里并没有具体请求Redis进行加锁的逻辑，而只是调用RedissonLock的构造函数，设置一些变量。

2、加锁流程

进入到Rlock#lock()方法，先看主流程；关于竞争锁等待时间、锁超时释放时间的配置、使用，在流程中穿插着聊。

0）加锁流程图

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1）加锁到哪台机器

lock()方法执行链路：

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走到这里，已经可以看到加锁的底层逻辑：LUA脚本。

而lua脚本只是⼀⼤串字符串，作为evalWriteAsync()⽅法的⼀个参数⽽已；所以下⼀步进到evalWriteAsync()⽅法中：

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走到这里会调用ConnectionManager#getEntry(String)方法；

在创建RedissonClient时，笔者配置的是Redis-Cluster，而走到这里却会进入到MasterSlaveConnectionManager，实际上实例化的ConnectionManager就是RedisCluster模式下的ClusterConnectionManager，而ClusterConnectionManager继承自MasterSlaveConnectionManager，并且ClusterConnectionManager没有重写getEntry(String)方法，所以会进入到MasterSlaveConnectionManager#getEntry(String)方法。

ConnectionManager#getEntry(String)方法会根据传入的key名称找到相应的Redis节点、目标master。

Redis-Cluster集群中的数据分布式是通过⼀个⼀个的hash slot来实现的，Redis-Cluster集群总共16384个hash slot，它们都会被均匀分布到所有的master节点上；这里ClusterConnectionManager通过key名称计算出相应的hash slot方式如下：

⾸先通过key计算出CRC16值，然后 CRC16值对16384进⾏取模，进⽽得到hash slot。

@Override
public int calcSlot(String key) {
    if (key == null) {
        return 0;
    }

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

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

这⾥计算出key的hash slot之后，就可以通过hash slot 去看⼀看哪个master上有这个hash slot，如果某个master上有个这个hash slot，那么这个 key当然就会落到该master节点上，执⾏加锁指令也就应该在该master上执⾏。

下面进入本文重点，可重入锁的各种加锁、释放锁。

2）Client第一次加锁

在寻找应该在哪台Redis机器上加锁时，在RedissonLock#tryLockInnerAsync()方法中我们看到了一堆LUA脚本：

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LUA脚本参数解析：

KEYS[1] 表示的是 getName() ，即锁key的名称，比如案例中的 test_lock；

ARGV[1] 表示的是 internalLockLeaseTime 默认值是30s；

ARGV[2] 表示的是 getLockName(threadId) ，唯一标识当前访问线程，使用锁对象id+线程id（UUID:ThreadId）方式表示，用于区分不同服务器上的线程。

UUID用来唯⼀标识⼀个客户端，因为会有多个客户端的多个线程加锁；

结合起来的UUID:ThreadId 表示：具体哪个客户端上的哪个线程过来加锁，通过这样的组合⽅式唯⼀标识⼀个线程。

LUA脚本逻辑：

如果锁名称不存在；

则向redis中添加一个key为test_lock的HASH结构、添加一个field为线程id，值=1的键值对{field:increment}，表示此线程的重入次数为1；

设置test_lock的过期时间，防止当前服务器出问题后导致死锁，然后return nil; end;返回nil，lua脚本执行完毕；

如果锁存在，检测当前线程是否持有锁；

如果是当前线程持有锁，hincrby将该线程重入的次数++；并重新设置锁的过期时间；返回nil，lua脚本执行完毕；

如果不是当前线程持有锁，pttl返回锁的过期时间，单位ms。

第一次加锁时，key肯定不存在与master节点上；会执行下列LUA脚本对应的Redis指令：

hset test_lock UUID:ThreadId 1 
pexpire test_lock 30000

此时，Redis中多一个Hash结构的key（test_lock）：

test_lock : 
{
    UUID:ThreadId：1
}

这里的1使用来做锁重入的。

pexpire指令为test_lock这个key设置过期时间为30s，即：30s后这个key会⾃动过期被删除，key对应的锁在那时也就被释放了。

总体来看，加锁的逻辑很简单：

在key对应的hash数据结构中记录了⼀下当前是哪个客户端的哪个线程过来加锁了，然后设置了⼀下key的过期时间为30s。

3）加锁成功之后的锁续约

成功加锁后，lua脚本返回nil，即null。

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加锁成功之后，tryLockInnerAsync()⽅法返回；再结合Java8的Stream，对加锁结果进一步处理；

因为加锁成功后返回的是nil，这是lua脚本的返回形式，体现到java代码中的返回值为：null。
又由于RLock#lock()方法传入的leaseTime是-1，所以进入到scheduleExpirationRenewal(long)方法做锁续约。

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renewExpirationAsync()方法负责做具体的锁续约：

protected CompletionStage<Boolean> renewExpirationAsync(long threadId) {
    return evalWriteAsync(getRawName(), LongCodec.INSTANCE, RedisCommands.EVAL_BOOLEAN,
            "if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then " +
                    "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +
                    "return 1; " +
                    "end; " +
                    "return 0;",
            Collections.singletonList(getRawName()),
            internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));
}

这里LUA脚本的逻辑很简单：

判断当前key中，是否还被线程UUID:ThreadId持有锁，持有则设置过期时间为30s（续命）。

锁续约（看门狗机制）其实就是每次加锁成功后，会⻢上开启⼀个后台线程，每隔10s检查⼀下key是否存在，如果存在就为key续期30s。

这里的10s，取自配置的lockWatchdogTimeout参数，默认为30 * 1000 ms；
所以⼀个key往往当过期时间慢慢消逝到20s左右时就⼜会被定时任务重置为了30s，这样就能保证：只要这个定时任务还在、这个key还在，就⼀直维持加锁。

如果当前持有锁的线程被中断了，会停止锁续约，即杀死看门狗；

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protected void cancelExpirationRenewal(Long threadId) {
    ExpirationEntry task = EXPIRATION_RENEWAL_MAP.get(getEntryName());
    if (task == null) {
        return;
    }
    
    if (threadId != null) {
        task.removeThreadId(threadId);
    }

    if (threadId == null || task.hasNoThreads()) {
        Timeout timeout = task.getTimeout();
        if (timeout != null) {
            timeout.cancel();
        }
        EXPIRATION_RENEWAL_MAP.remove(getEntryName());
    }
}

所谓的停止锁续约，实际就是将当前线程的threadId从看门狗缓存中移除，后续在执行锁续约时，如果发现看门狗缓存中已经没有了当前线程threadId，则直接退出锁续约并且不再延时10s开启一个定时任务。

如果加锁时指定了leaseTime > 0，则不会开门狗机制，表示强制锁leaseTime 毫秒后过期。一共有三种加锁方式可以做到，如下：

RLock#lock(long leaseTime, TimeUnit unit)

RLock#tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit)

RLock#lockInterruptibly(long leaseTime, TimeUnit unit)

4）重入加锁（相同线程多次加锁）

再次回到加锁的LUA脚本：

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同一个线程对分布式锁多次加锁时，会走以下逻辑：

判断当前key是否被当前线程持有，如果是则增加锁重入的次数，并重新设置锁的过期时间为30s；

对应的Redis命令为：

hexists test_lock UUID:ThreadId
hincrby test_lock UUID:ThreadId 1
pexpire test_lock 30000

此时Redis中test_key对应的数据结构从

test_lock : 
{
    UUID:ThreadId：1
}

变成：

test_lock : 
{
    UUID:ThreadId：2
}

并将key的过期时间重新设置为30s。

锁重入成功之后，后台也会开启⼀个watchdog后台线程做锁续约，每隔10s检查⼀下key，如果key存在就将key的过期时间重新设置为30s。

Redisson可重⼊加锁的语义，实际是通过Hash结构的key中某个线程（UUID:ThreadId）对应的加锁次数来表示的。

5）锁竞争（其他线程加锁失败）

再再次回到加锁的LUA脚本：

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如果分布式锁已经被其他线程持有，LUA脚本会执行以下逻辑：

返回当前key的剩余存活时间，因为不是返回nil，也就代表着加锁失败；

对应的Redis的命令为：

pttl test_lock

针对加锁方式的不同，加锁失败的逻辑也不同；可以分两大类：指定了加锁失败的等待时间waitTime和未指定waitTime。

未执行加锁失败的等待时间waitTime：获取分布式锁失败会一直重试，直到获取锁成功。比如下列加锁方法：
- Rlock#lock()：一直尝试获取分布式锁，直到获取锁成功。
- RLock#lockInterruptibly(long leaseTime, TimeUnit unit)
- RLock#lock(long leaseTime, TimeUnit unit)
指定了加锁失败的等待时间waitTime：获取分布式锁会超时，超时之后返回加锁失败；
- Rlock#tryLock(long waitTime, TimeUnit unit)：指定获取锁失败的等待时间。在等待时间范围之内进行重试，超时则返回加锁失败。
- Rlock#tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit)：同样是指定获取锁失败的等待时间，并且强制指定锁过期的时间（不开启看门狗）。在等待时间范围之内进行重试，超时则返回加锁失败。

可以简单的概述为RLock接口下的tryLock()方法获取锁会失败，lock()方法获取锁一定会成功。

1> 一直重试直到加锁成功

以Rlock#lock()方法为例：

private void lock(long leaseTime, TimeUnit unit, boolean interruptibly) throws InterruptedException {
    long threadId = Thread.currentThread().getId();
    Long ttl = tryAcquire(-1, leaseTime, unit, threadId);
    // lock acquired
    if (ttl == null) {
        return;
    }

    CompletableFuture<RedissonLockEntry> future = subscribe(threadId);
    pubSub.timeout(future);
    RedissonLockEntry entry;
    if (interruptibly) {
        entry = commandExecutor.getInterrupted(future);
    } else {
        entry = commandExecutor.get(future);
    }

    try {
        while (true) {
            // lock() 或 lockInterruptibly()为入口走到这里时。leaseTime为-1，表示会开始开门狗；如果leaseTime大于0，则不会开启开门狗；
            ttl = tryAcquire(-1, leaseTime, unit, threadId);
            // lock acquired
            if (ttl == null) {
                break;
            }

            // waiting for message
            if (ttl >= 0) {
                try {
                    // 因为Semaphore的可用资源为0，所以这里就等价于Thread.sleep(ttl)；
                    entry.getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);
                } catch (InterruptedException e) {
                    if (interruptibly) {
                        throw e;
                    }
                    entry.getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);
                }
            } else {
                if (interruptibly) {
                    entry.getLatch().acquire();
                } else {
                    entry.getLatch().acquireUninterruptibly();
                }
            }
        }
    } finally {
        unsubscribe(entry, threadId);
    }
}

首先订阅解锁channel（命名格式：redisson_lock__channel:{keyName}），其他线程解锁后，会发布解锁的消息；这里收到消息会立即尝试获取锁；订阅解锁channel的超时时间默认为7.5s。也就说获取锁失败7.5s之内，如果其他线程释放锁，当前线程可以立即尝试获取到锁。

获取锁失败之后会进⼊⼀个while死循环中：

每休息锁的存活时间ttl之后，就尝试去获取锁，直到成功获取到锁才会跳出while死循环。

2> 等待锁超时返回加锁失败

以Rlock#tryLock(long waitTime, TimeUnit unit)为例：

@Override
public boolean tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    long time = unit.toMillis(waitTime);
    long current = System.currentTimeMillis();
    long threadId = Thread.currentThread().getId();
    Long ttl = tryAcquire(waitTime, leaseTime, unit, threadId);
    // lock acquired
    if (ttl == null) {
        return true;
    }

    // 获取锁剩余的等待时长
    time -= System.currentTimeMillis() - current;
    if (time <= 0) {
        // 获取锁超时，返回获取分布式锁失败
        acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
        return false;
    }
    
    current = System.currentTimeMillis();
    CompletableFuture<RedissonLockEntry> subscribeFuture = subscribe(threadId);
    try {
        // 订阅解锁channel的超时时长为 获取锁剩余的等待时长
        subscribeFuture.get(time, TimeUnit.MILLISECONDS);
    } catch (TimeoutException e) {
        if (!subscribeFuture.completeExceptionally(new RedisTimeoutException(
                "Unable to acquire subscription lock after " + time + "ms. " +
                        "Try to increase 'subscriptionsPerConnection' and/or 'subscriptionConnectionPoolSize' parameters."))) {
            subscribeFuture.whenComplete((res, ex) -> {
                if (ex == null) {
                    unsubscribe(res, threadId);
                }
            });
        }
        acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
        return false;
    } catch (ExecutionException e) {
        acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
        return false;
    }

    try {
        // 收到解锁channel的消息之后，走到这里，再次判断获取锁等待时长是否超时
        time -= System.currentTimeMillis() - current;
        if (time <= 0) {
            acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
            return false;
        }
    
        // while循环中尝试去获取锁
        while (true) {
            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;
            }

            // waiting for message
            currentTime = System.currentTimeMillis();
            if (ttl >= 0 && ttl < time) {
                // 如果获取锁失败后，锁存活时长 小于 剩余锁等待时长，则线程睡眠 锁存活时长
                commandExecutor.getNow(subscribeFuture).getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);
            } else {
                // 如果获取锁失败后，锁存活时间 大于等于 剩余锁等待时长，则线程睡眠 锁等待时长
                commandExecutor.getNow(subscribeFuture).getLatch().tryAcquire(time, TimeUnit.MILLISECONDS);
            }

            time -= System.currentTimeMillis() - currentTime;
            if (time <= 0) {
                acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
                return false;
            }
        }
    } finally {
        unsubscribe(commandExecutor.getNow(subscribeFuture), threadId);
    }
}

加锁存在超时时间相比于一直重试直到加锁成功，只是多一个时间限制，具体差异体现在：订阅解锁channel的超时时长、获取锁失败后线程的睡眠时长、重试获取锁次数的限制；

获取分布式锁失败之后，立即判断当前获取锁是否超时，如果超时，则返回加锁失败；

否者，订阅解锁channel（命名格式：redisson_lock__channel:{keyName}），其他线程解锁后，会发布解锁的消息；订阅解锁channel的超时时间为 获取锁剩余的等待时长。
在这个时间范围之内，如果其他线程释放锁，当前线程收到解锁channel的消息之后再次判断获取锁是否超时，如果不超时，尝试获取锁。

获取锁之后会进⼊⼀个while死循环中：

如果获取锁超时，则返回加锁失败；

否者让线程睡眠：

如果锁存活时长ttl 小于剩余锁等待时长，则线程睡眠锁存活时长；

如果锁存活时间ttl 大于等于剩余锁等待时长，则线程睡眠锁等待时长；

线程睡眠完之后，判断获取锁是否超时，不超时则尝试去获取锁。

3、释放锁流程

1）Client主动尝试释放锁

进入到Rlock#unlock()方法；

图解Redisson如何实现分布式锁、锁续约？

和加锁的方式⼀样，释放锁也是通过lua脚本来完成的；

LUA脚本参数解析：

KEYS[1] 表示的是 getName() ，代表的是锁名 test_lock；

KEYS[2] 表示getChanelName() 表示的是发布订阅过程中使用的Chanel；

ARGV[1] 表示的是LockPubSub.unLockMessage，解锁消息，实际代表的是数字 0，代表解锁消息；

ARGV[2] 表示的是internalLockLeaseTime 默认的有效时间 30s；

ARGV[3] 表示的是 getLockName(thread.currentThread().getId()) 代表的是 UUID:ThreadId 用锁对象id+线程id，表示当前访问线程，用于区分不同服务器上的线程。

LUA脚本逻辑：

如果锁名称不存在；

可能是因为锁过期导致锁不存在，也可能是并发解锁。

则发布锁解除的消息，返回1，lua脚本执行完毕；

如果锁存在，检测当前线程是否持有锁；

如果是当前线程持有锁，定义变量counter，接收执行incrby将该线程重入的次数–的结果；

如果重入次数大于0，表示该线程还有其他任务需要执行；重新设置锁的过期时间；返回0，lua脚本执行完毕；

否则表示该线程执行结束，del删除该锁；并且publish发布该锁解除的消息；返回1，lua脚本执行完毕；

如果不是当前线程持有锁或其他情况，都返回nil，lua脚本执行完毕。

脚本执行结束之后，如果返回值不是0或1，即当前线程去释放其他线程的加锁时，抛出异常。

通过LUA脚本释放锁成功之后，会将看门狗杀死；

图解Redisson如何实现分布式锁、锁续约？

2）Client主动强制释放锁

forceUnlockAsync()方法被调用的地方很多，大多都是在清理资源时删除锁。

@Override
public RFuture<Boolean> forceUnlockAsync() {
    cancelExpirationRenewal(null);
    return evalWriteAsync(getRawName(), LongCodec.INSTANCE, RedisCommands.EVAL_BOOLEAN,
            "if (redis.call('del', KEYS[1]) == 1) then "
                    + "redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); "
                    + "return 1 "
                    + "else "
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