redis分布式锁之可重入锁的实现代码

admin Redis 2022-02-10 07:34:56 redis分布式锁 redis可重入锁"

上篇redis实现的分布式锁，有一个问题，它不可重入。

所谓不可重入锁，即若当前线程执行某个方法已经获取了该锁，那么在方法中尝试再次获取锁时，就会获取不到被阻塞。同一个人拿一个锁，只能拿一次不能同时拿2次。

1、什么是可重入锁？它有什么作用？

可重入锁，也叫做递归锁，指的是在同一线程内，外层函数获得锁之后，内层递归函数仍然可以获取到该锁。说白了就是同一个线程再次进入同样代码时，可以再次拿到该锁。它的作用是：防止在同一线程中多次获取锁而导致死锁发生。

2、那么java中谁实现了可重入锁了？

在java的编程中synchronized 和 ReentrantLock都是可重入锁。我们可以参考ReentrantLock的代码

3、基于ReentrantLock的可重入锁

ReentrantLock，是一个可重入且独占式的锁，是一种递归无阻塞的同步锁。

3.1、看个ReentrantLock的例子

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

@Slf4j
public class ReentrantLockDemo {
    //锁
    private static ReentrantLock lock =  new ReentrantLock();
    public void doSomething(int n){
        try{
            //进入递归第一件事：加锁
            lock.lock();
            log.info("--------lock()执行后，getState()的值：{} lock.isLocked():{}",lock.getHoldCount(),lock.isLocked());
            log.info("--------递归{}次--------",n);
            if(n<=2){
                this.doSomething(++n);
            }else{
                return;
            }
        }finally {
            lock.unlock();
            log.info("--------unlock()执行后，getState()的值：{} lock.isLocked():{}",lock.getHoldCount(),lock.isLocked());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLockDemo reentrantLockDemo=new ReentrantLockDemo();
        reentrantLockDemo.doSomething(1);
        log.info("执行完doSomething方法 是否还持有锁：{}",lock.isLocked());
    }

}

3.2、执行结果

16:35:58.051 [main] INFO com.test.ReentrantLockDemo - --------lock()执行后，getState()的值：1 lock.isLocked():true
16:35:58.055 [main] INFO com.test.ReentrantLockDemo - --------递归1次--------
16:35:58.055 [main] INFO com.test.ReentrantLockDemo - --------lock()执行后，getState()的值：2 lock.isLocked():true
16:35:58.055 [main] INFO com.test.ReentrantLockDemo - --------递归2次--------
16:35:58.055 [main] INFO com.test.ReentrantLockDemo - --------lock()执行后，getState()的值：3 lock.isLocked():true
16:35:58.055 [main] INFO com.test.ReentrantLockDemo - --------递归3次--------
16:35:58.055 [main] INFO com.test.ReentrantLockDemo - --------unlock()执行后，getState()的值：2 lock.isLocked():true
16:35:58.055 [main] INFO com.test.ReentrantLockDemo - --------unlock()执行后，getState()的值：1 lock.isLocked():true
16:35:58.055 [main] INFO com.test.ReentrantLockDemo - --------unlock()执行后，getState()的值：0 lock.isLocked():false
16:35:58.055 [main] INFO com.test.ReentrantLockDemo - 执行完doSomething方法是否还持有锁：false

3.3、从上面栗子可以看出ReentrantLock是可重入锁，那么他是如何实现的了，我们看下源码就知道了

 final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            //先判断，c（state）是否等于0，如果等于0，说明没有线程持有锁
            if (c == 0) {
                //通过cas方法把state的值0替换成1，替换成功说明加锁成功
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    //如果加锁成功，设置持有锁的线程是当前线程
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {//判断当前持有锁的线程是否是当前线程
                //如果是当前线程，则state值加acquires，代表了当前线程加锁了多少次
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

ReentrantLock的加锁流程是：
1，先判断是否有线程持有锁，没有加锁进行加锁
2、如果加锁成功，则设置持有锁的线程是当前线程
3、如果有线程持有了锁，则再去判断，是否是当前线程持有了锁
4、如果是当前线程持有锁，则加锁数量（state）+1

/**
         * 释放锁
         * @param releases
         * @return
         */
        protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;//state-1 减加锁次数
            //如果持有锁的线程，不是当前线程，抛出异常
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();

            boolean free = false;
            if (c == 0) {//如果c==0了说明当前线程，已经要释放锁了
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);//设置当前持有锁的线程为null
            }
            setState(c);//设置c的值
            return free;
        }

看ReentrantLock的解锁代码我们知道，每次释放锁的时候都对state减1，
当c值等于0的时候，说明锁重入次数也为0了，
最终设置当前持有锁的线程为null,state也设置为0，锁就释放了。

4、那么redis要怎么实现可重入的操作了？

看ReentrantLock的源码我们知道，它是加锁成功了，记录了当前持有锁的线程，并通过一个int类型的数字，来记录了加锁次数。

我们知道ReentrantLock的实现原理了，那么redis只要下面两个问题解决，就能实现重入锁了：
1、怎么保存当前持有的线程
2、加锁次数（重入了多少次），怎么记录维护

4.1、第一个问题：怎么保存当前持有的线程

1.上一篇文章我们用的是redis 的set命令存的是string类型，他能保存当前持有的线程吗？
valus值我们可以保存当前线程的id来解决。
2. 但是集群环境下我们线程id可能是重复了那怎么解决？
项目在启动的生成一个全局进程id，使用进程id+线程id 那就是唯一的了

4.2、第二个问题：加锁次数（重入了多少次），怎么记录维护

他能记录下来加锁次数吗？
如果valus值存的格式是：系进程id+线程id+加锁次数，那可以实现

存没问题了，但是重入次数要怎么维护了，它肯定要保证原子性的，能解决吗？
好像用java代码或者lua脚本都没法解决，因为都是实现都需要两步来维护这个重入次数的

第一步：先获取到valus值，把取到加锁次数+1
第二部：把新的值再设置进去
在执行第二步操作之前，如果这个key失效了（设置持有锁超时了），如果还能再设置进去，就会有并发问题了

5、我们已经知道SET是不支持重入锁的，但我们需要重入锁，怎么办呢？

目前对于redis的重入锁业界还是有很多解决方案的，最流行的就是采用Redisson。

6、什么是 Redisson？

Redisson是Redis官方推荐的Java版的Redis客户端。它基于Java实用工具包中常用接口，为使用者提供了一系列具有分布式特性的常用工具类。它在网络通信上是基于NIO的Netty框架，保证网络通信的高性能。在分布式锁的功能上，它提供了一系列的分布式锁；如：可重入锁（Reentrant Lock）、公平锁（Fair Lock、联锁（MultiLock）、红锁（RedLock）、读写锁（ReadWriteLock）等等。

Redisson github地址

7、Redisson的分布锁如何使用

引入依赖包


   org.redisson
   redisson
   3.15.5

代码

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.redisson.Redisson;
import org.redisson.api.RLock;
import org.redisson.api.RedissonClient;
import org.redisson.config.Config;
import org.redisson.config.SingleServerConfig;


@Slf4j
public class ReentrantLockDemo1 {
    //锁
    public static RLock lock;

    static {
        //Redisson需要的配置
        Config config = new Config();
        String node = "127.0.0.1:6379";//redis地址
        node = node.startsWith("redis://") ? node : "redis://" + node;
        SingleServerConfig serverConfig = config.useSingleServer()
                .setAddress(node)
                .setTimeout(3000)//超时时间
                .setConnectionPoolSize(10)
                .setConnectionMinimumIdleSize(10);
        //serverConfig.setPassword("123456");//设置redis密码
        // 创建RedissonClient客户端实例
        RedissonClient redissonClient = Redisson.create(config);
        //创建redisson的分布式锁
        RLock rLock = redissonClient.getLock("666");
        lock = rLock;
    }
    public void doSomething(int n){
        try{
            //进入递归第一件事：加锁
            lock.lock();
            log.info("--------lock()执行后，getState()的值：{} lock.isLocked():{}",lock.getHoldCount(),lock.isLocked());
            log.info("--------递归{}次--------",n);
            if(n<=2){
                this.doSomething(++n);
            }else{
                return;
            }
        }finally {
            lock.unlock();
            log.info("--------unlock()执行后，getState()的值：{} lock.isLocked():{}",lock.getHoldCount(),lock.isLocked());
        }
    }
    public static void test(){
        log.info("--------------start---------------");
        ReentrantLockDemo1 reentrantLockDemo=new ReentrantLockDemo1();
        reentrantLockDemo.doSomething(1);
        log.info("执行完doSomething方法 是否还持有锁：{}",ReentrantLockDemo1.lock.isLocked());
        log.info("--------------end---------------");
    }
    public static void main(String[] args) {
        test();
    }
}

执行结果

2021-05-23 22:49:01.322 INFO 69041 --- [nio-9090-exec-1] org.redisson.Version : Redisson 3.15.5
2021-05-23 22:49:01.363 INFO 69041 --- [sson-netty-5-22] o.r.c.pool.MasterConnectionPool : 10 connections initialized for /127.0.0.1:6379
2021-05-23 22:49:01.363 INFO 69041 --- [sson-netty-5-23] o.r.c.pool.MasterPubSubConnectionPool : 1 connections initialized for /127.0.0.1:6379
2021-05-23 22:49:01.367 INFO 69041 --- [nio-9090-exec-1] com.test.ReentrantLockDemo1 : --------------start---------------
2021-05-23 22:49:01.435 INFO 69041 --- [nio-9090-exec-1] com.test.ReentrantLockDemo1 : --------lock()执行后，getState()的值：1 lock.isLocked():true
2021-05-23 22:49:01.436 INFO 69041 --- [nio-9090-exec-1] com.test.ReentrantLockDemo1 : --------递归1次--------
2021-05-23 22:49:01.442 INFO 69041 --- [nio-9090-exec-1] com.test.ReentrantLockDemo1 : --------lock()执行后，getState()的值：2 lock.isLocked():true
2021-05-23 22:49:01.442 INFO 69041 --- [nio-9090-exec-1] com.test.ReentrantLockDemo1 : --------递归2次--------
2021-05-23 22:49:01.448 INFO 69041 --- [nio-9090-exec-1] com.test.ReentrantLockDemo1 : --------lock()执行后，getState()的值：3 lock.isLocked():true
2021-05-23 22:49:01.448 INFO 69041 --- [nio-9090-exec-1] com.test.ReentrantLockDemo1 : --------递归3次--------
2021-05-23 22:49:01.456 INFO 69041 --- [nio-9090-exec-1] com.test.ReentrantLockDemo1 : --------unlock()执行后，getState()的值：2 lock.isLocked():true
2021-05-23 22:49:01.461 INFO 69041 --- [nio-9090-exec-1] com.test.ReentrantLockDemo1 : --------unlock()执行后，getState()的值：1 lock.isLocked():true
2021-05-23 22:49:01.465 INFO 69041 --- [nio-9090-exec-1] com.test.ReentrantLockDemo1 : --------unlock()执行后，getState()的值：0 lock.isLocked():false
2021-05-23 22:49:01.467 INFO 69041 --- [nio-9090-exec-1] com.test.ReentrantLockDemo1 : 执行完doSomething方法是否还持有锁：false
2021-05-23 22:49:01.467 INFO 69041 --- [nio-9090-exec-1] com.test.ReentrantLockDemo1 : --------------end---------------

看控制台打印能清楚知道Redisson是支持可重入锁了。

8、那么Redisson是如何实现的了？

我们跟一下lock.lock()的代码，发现它最终调用的是org.redisson.RedissonLock#tryLockInnerAsync的方法,具体如下：

  RFuture tryLockInnerAsync(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId, RedisStrictCommand 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));
    }

8.1、上面的代码，用到的redis命令先梳理一下

exists 查询一个key是否存在

EXISTS key [key ...]
返回值
如下的整数结果
1 如果key存在
0 如果key不存在

hincrby ：将hash中指定域的值增加给定的数字

pexpire：设置key的有效时间以毫秒为单位

hexists：判断field是否存在于hash中

pttl：获取key的有效毫秒数

8.2、看lua脚本传入的参数我们知道：

KEYS[1] = key的值
ARGV[1]) = 持有锁的时间
ARGV[2] = getLockName(threadId) 下面id就算系统在启动的时候会全局生成的uuid 来作为当前进程的id，加上线程id就是getLockName(threadId)了，可以理解为：进程ID+系统ID = ARGV[2]

protected String getLockName(long threadId) {
        return id + ":" + threadId;
    }

8.3、代码截图

从截图上可以看到，它是使用lua脚本来保证多个命令执行的原子性，使用了hash来实现了分布式锁
现在我们来看下lua脚本的加锁流程

8.4、第一个if判断

204行：它是先判断了当前key是否存在，从EXISTS命令我们知道返回值是0说明key不存在，说明没有加锁
205行：hincrby命令是对 ARGV[2] = 进程ID+系统ID 进行原子自增加1
206行：是对整个hash设置过期期间

8.5、下面来看第二个if判断

209行：判断field是否存在于hash中，如果存在返回1，返回1说明是当前进程+当前线程ID 之前已经获得到锁了
210行：hincrby命令是对 ARGV[2] = 进程ID+系统ID 进行原子自增加1，说明重入次数加1了
211行：再对整个hash设置过期期间

8.6、下图是redis可视化工具看到是如何在hash存储的结构

Redisson的整个加锁流程跟ReentrantLock的加锁逻辑基本相同

8.7、解锁代码位于 org.redisson.RedissonLock#unlockInnerAsync,如下：

 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));
    }

看这个解锁的Lua脚本，流程跟Reentrantlock的解锁逻辑也基本相同没啥好说的了。

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