Java分布式锁的三种实现方案

2024-03-04 20:12:03 297

方案一：数据库乐观锁

乐观锁通常实现基于数据版本(version)的记录机制实现的，比如有一张红包表（t_bonus），有一个字段(left_count)记录礼物的剩余个数，用户每领取一个奖品，对应的left_count减1，在并发的情况下如何要保证left_count不为负数，乐观锁的实现方式为在红包表上添加一个版本号字段（version），默认为0。

异常实现流程

--可能会发生的异常情况
--线程1查询，当前left_count为1，则有记录
select*fromt_bonuswhereid=10001andleft_count>0

--线程2查询，当前left_count为1，也有记录
select*fromt_bonuswhereid=10001andleft_count>0

--线程1完成领取记录，修改left_count为0,
updatet_bonussetleft_count=left_count-1whereid=10001

--线程2完成领取记录，修改left_count为-1，产生脏数据
updatet_bonussetleft_count=left_count-1whereid=10001

通过乐观锁实现

--添加版本号控制字段
ALTERTABLEtableADDCOLUMNversionINTDEFAULT'0'NOTNULLAFTERt_bonus;

--线程1查询，当前left_count为1，则有记录，当前版本号为1234
selectleft_count,versionfromt_bonuswhereid=10001andleft_count>0

--线程2查询，当前left_count为1，有记录，当前版本号为1234
selectleft_count,versionfromt_bonuswhereid=10001andleft_count>0

--线程1,更新完成后当前的version为1235，update状态为1，更新成功
updatet_bonussetversion=1235,left_count=left_count-1whereid=10001andversion=1234

--线程2,更新由于当前的version为1235，udpate状态为0，更新失败，再针对相关业务做异常处理
updatet_bonussetversion=1235,left_count=left_count-1whereid=10001andversion=1234

方案二：基于Redis的分布式锁

SETNX命令（SETifNoteXists）\
语法：SETNXkeyvalue\
功能：原子性操作，当且仅当key不存在，将key的值设为value，并返回1；若给定的key已经存在，则SETNX不做任何动作，并返回0。\
Expire命令\
语法：expire(key,expireTime)\
功能：key设置过期时间\
GETSET命令\
语法：GETSETkeyvalue\
功能：将给定key的值设为value，并返回key的旧值(oldvalue)，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命令\
语法：GETkey\
功能：返回key所关联的字符串值，如果key不存在那么返回特殊值nil。\
DEL命令\
语法：DELkey[KEY…]\
功能：删除给定的一个或多个key,不存在的key会被忽略。

第一种：使用redis的setnx()、expire()方法，用于分布式锁

setnx(lockkey,1)如果返回0，则说明占位失败；如果返回1，则说明占位成功
expire()命令对lockkey设置超时时间，为的是避免死锁问题。
执行完业务代码后，可以通过delete命令删除key。

这个方案其实是可以解决日常工作中的需求的，但从技术方案的探讨上来说，可能还有一些可以完善的地方。比如，如果在第一步setnx执行成功后，在expire()命令执行成功前，发生了宕机的现象，那么就依然会出现死锁的问题

第二种：使用redis的setnx()、get()、getset()方法，用于分布式锁，解决死锁问题

setnx(lockkey,当前时间+过期超时时间)，如果返回1，则获取锁成功；如果返回0则没有获取到锁，转向2。
get(lockkey)获取值oldExpireTime，并将这个value值与当前的系统时间进行比较，如果小于当前系统时间，则认为这个锁已经超时，可以允许别的请求重新获取，转向3。
计算newExpireTime=当前时间+过期超时时间，然后getset(lockkey,newExpireTime)会返回当前lockkey的值currentExpireTime。
判断currentExpireTime与oldExpireTime是否相等，如果相等，说明当前getset设置成功，获取到了锁。如果不相等，说明这个锁又被别的请求获取走了，那么当前请求可以直接返回失败，或者继续重试。
在获取到锁之后，当前线程可以开始自己的业务处理，当处理完毕后，比较自己的处理时间和对于锁设置的超时时间，如果小于锁设置的超时时间，则直接执行delete释放锁；如果大于锁设置的超时时间，则不需要再锁进行处理。

importcn.com.tpig.cache.redis.RedisService;
importcn.com.tpig.utils.SpringUtils;
/**
*CreatedbyIDEA
*User:shma1664
*Date:2016-08-1614:01
*Desc:redis分布式锁
*/
publicfinalclassRedisLockUtil{
privatestaticfinalintdefaultExpire=60;
privateRedisLockUtil(){
//
}
/**
*加锁
*@paramkeyrediskey
*@paramexpire过期时间，单位秒
*@returntrue:加锁成功，false，加锁失败
*/
publicstaticbooleanlock(Stringkey,intexpire){
RedisServiceredisService=SpringUtils.getBean(RedisService.class);
longstatus=redisService.setnx(key,"1");

if(status==1){
redisService.expire(key,expire);
returntrue;
}
returnfalse;
}
publicstaticbooleanlock(Stringkey){
returnlock2(key,defaultExpire);
}
/**
*加锁
*@paramkeyrediskey
*@paramexpire过期时间，单位秒
*@returntrue:加锁成功，false，加锁失败
*/
publicstaticbooleanlock2(Stringkey,intexpire){
RedisServiceredisService=SpringUtils.getBean(RedisService.class);
longvalue=System.currentTimeMillis()+expire;
longstatus=redisService.setnx(key,String.valueOf(value));
if(status==1){
returntrue;
}
longoldExpireTime=Long.parseLong(redisService.get(key,"0"));
if(oldExpireTime<System.currentTimeMillis()){
//超时
longnewExpireTime=System.currentTimeMillis()+expire;
longcurrentExpireTime=Long.parseLong(redisService.getSet(key,String.valueOf(newExpireTime)));
if(currentExpireTime==oldExpireTime){
returntrue;
}
}
returnfalse;
}
publicstaticvoidunLock1(Stringkey){
RedisServiceredisService=SpringUtils.getBean(RedisService.class);
redisService.del(key);
}
publicstaticvoidunLock2(Stringkey){
RedisServiceredisService=SpringUtils.getBean(RedisService.class);
longoldExpireTime=Long.parseLong(redisService.get(key,"0"));
if(oldExpireTime>System.currentTimeMillis()){
redisService.del(key);
}
}
}

publicvoiddrawRedPacket(longuserId){
Stringkey="draw.redpacket.userid:"+userId;
booleanlock=RedisLockUtil.lock2(key,60);
if(lock){
try{
//领取操作
}finally{
//释放锁
RedisLockUtil.unLock(key);
}
}else{
newRuntimeException("重复领取奖励");
}
}

SpringAOP基于注解方式和SpEL实现开箱即用的redis分布式锁策略

importjava.lang.annotation.ElementType;
importjava.lang.annotation.Retention;
importjava.lang.annotation.RetentionPolicy;
importjava.lang.annotation.Target;
/**
*RUNTIME
*定义注解
*编译器将把注释记录在类文件中，在运行时VM将保留注释，因此可以反射性地读取。
*@authorshma1664
*
*/
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public@interfaceRedisLockable{
String[]key()default"";
longexpiration()default60;
}

importjavax.annotation.Resource;
importjava.lang.reflect.Method;
importcom.autohome.api.dealer.util.cache.RedisClient;
importcom.google.common.base.Joiner;
importorg.aspectj.lang.ProceedingJoinPoint;
importorg.aspectj.lang.Signature;
importorg.aspectj.lang.annotation.Around;
importorg.aspectj.lang.annotation.Aspect;
importorg.aspectj.lang.annotation.Pointcut;
importorg.aspectj.lang.reflect.MethodSignature;
importorg.springframework.expression.EvaluationContext;
importorg.springframework.expression.Expression;
importorg.springframework.expression.ExpressionParser;
importorg.springframework.expression.spel.standard.SpelExpressionParser;
importorg.springframework.expression.spel.support.StandardEvaluationContext;
importorg.springframework.stereotype.Component;
/**
*CreatedbyIDEA
*User:mashaohua
*Date:2016-09-2818:08
*Desc:
*/
@Aspect
@Component
publicclassRedisLockAop{
@Resource
privateRedisClientredisClient;
@Pointcut("execution(*com.autohome.api.dealer.tuan.service.*.*(..))")
publicvoidpointcut(){}
@Around("pointcut()")
publicObjectdoAround(ProceedingJoinPointpoint)throwsThrowable{
Signaturesignature=point.getSignature();
MethodSignaturemethodSignature=(MethodSignature)signature;
Methodmethod=methodSignature.getMethod();
StringtargetName=point.getTarget().getClass().getName();
StringmethodName=point.getSignature().getName();
Object[]arguments=point.getArgs();
if(method!=null&&method.isAnnotationPresent(RedisLockable.class)){
RedisLockableredisLock=method.getAnnotation(RedisLockable.class);
longexpire=redisLock.expiration();
StringredisKey=getLockKey(targetName,methodName,redisLock.key(),arguments);
booleanisLock=RedisLockUtil.lock2(redisKey,expire);
if(!isLock){
try{
returnpoint.proceed();
}finally{
unLock2(redisKey);
}
}else{
thrownewRuntimeException("您的操作太频繁，请稍后再试");
}
}
returnpoint.proceed();
}
privateStringgetLockKey(StringtargetName,StringmethodName,String[]keys,Object[]arguments){
StringBuildersb=newStringBuilder();
sb.append("lock.").append(targetName).append(".").append(methodName);
if(keys!=null){
StringkeyStr=Joiner.on(".").skipNulls().join(keys);
String[]parameters=ReflectParamNames.getNames(targetName,methodName);
ExpressionParserparser=newSpelExpressionParser();
Expressionexpression=parser.parseExpression(keyStr);
EvaluationContextcontext=newStandardEvaluationContext();
intlength=parameters.length;
if(length>0){
for(inti=0;i<length;i++){
context.setVariable(parameters[i],arguments[i]);
}
}
StringkeysValue=expression.getValue(context,String.class);
sb.append("#").append(keysValue);
}
returnsb.toString();
}

<!--https://mvnrepository.com/artifact/javassist/javassist-->
<dependency>
<groupId>org.javassist</groupId>
<artifactId>javassist</artifactId>
<version>3.18.1-GA</version>
</dependency>

importjavassist.*;
importjavassist.bytecode.CodeAttribute;
importjavassist.bytecode.LocalVariableAttribute;
importjavassist.bytecode.MethodInfo;
importorg.apache.log4j.Logger;
/**
*CreatedbyIDEA
*User:mashaohua
*Date:2016-09-2818:39
*Desc:
*/
publicclassReflectParamNames{
privatestaticLoggerlog=Logger.getLogger(ReflectParamNames.class);
privatestaticClassPoolpool=ClassPool.getDefault();
static{
ClassClassPathclassPath=newClassClassPath(ReflectParamNames.class);
pool.insertClassPath(classPath);
}
publicstaticString[]getNames(StringclassName,StringmethodName){
CtClasscc=null;
try{
cc=pool.get(className);
CtMethodcm=cc.getDeclaredMethod(methodName);
//使用javaassist的反射方法获取方法的参数名
MethodInfomethodInfo=cm.getMethodInfo();
CodeAttributecodeAttribute=methodInfo.getCodeAttribute();
LocalVariableAttributeattr=(LocalVariableAttribute)codeAttribute.getAttribute(LocalVariableAttribute.tag);
if(attr==null)returnnewString[0];
intbegin=0;
String[]paramNames=newString[cm.getParameterTypes().length];
intcount=0;
intpos=Modifier.isStatic(cm.getModifiers())?0:1;
for(inti=0;i<attr.tableLength();i++){
//为什么加这个判断，发现在windows跟linux执行时，参数顺序不一致，通过观察，实际的参数是从this后面开始的
if(attr.variableName(i).equals("this")){
begin=i;
break;
}
}
for(inti=begin+1;i<=begin+paramNames.length;i++){
paramNames[count]=attr.variableName(i);
count++;
}
returnparamNames;
}catch(Exceptione){
e.printStackTrace();
}finally{
try{
if(cc!=null)cc.detach();
}catch(Exceptione2){
log.error(e2.getMessage());
}
}
returnnewString[0];
}
}

在需要使用分布式锁的地方添加注解

/**
*抽奖接口
*添加redis分布式锁保证一个订单只有一个请求处理，防止用户刷礼物，支持SpEL表达式
*redisLockKey：lock.com.autohome.api.dealer.tuan.service.impl.drawBonus#orderId
*@paramorderId订单id
*@return抽中的奖品信息
*/
@RedisLockable(key={"#orderId"},expiration=120)
@Override
publicBonusConvertBeandrawBonus(IntegerorderId)throwsBonusException{
//业务逻辑
}

第三种方案：基于Zookeeper的分布式锁

利用节点名称的唯一性来实现独占锁

ZooKeeper机制规定同一个目录下只能有一个唯一的文件名，zookeeper上的一个znode看作是一把锁，通过createznode的方式来实现。所有客户端都去创建/lock/${lock_name}_lock节点，最终成功创建的那个客户端也即拥有了这把锁，创建失败的可以选择监听继续等待，还是放弃抛出异常实现独占锁。
packagecom.shma.example.zookeeper.lock;

importjava.io.IOException;
importjava.util.ArrayList;
importjava.util.Collections;
importjava.util.List;
importjava.util.concurrent.CountDownLatch;
importjava.util.concurrent.TimeUnit;
importjava.util.concurrent.locks.Condition;
importjava.util.concurrent.locks.Lock;
importorg.apache.zookeeper.*;
importorg.apache.zookeeper.data.Stat;
/**
*CreatedbyIDEA
*User:mashaohua
*Date:2016-09-3016:09
*Desc:
*/
publicclassZookeeperLockimplementsLock,Watcher{
privateZooKeeperzk;
privateStringroot="/locks";//根
privateStringlockName;//竞争资源的标志
privateStringmyZnode;//当前锁
privateintsessionTimeout=30000;
privateList<Exception>exception=newArrayList<Exception>();
/**
*创建分布式锁,使用前请确认config配置的zookeeper服务可用
*@paramconfig127.0.0.1:2181
*@paramlockName竞争资源标志,lockName中不能包含单词lock
*/
publicZookeeperLock(Stringconfig,StringlockName){
this.lockName=lockName;
//创建一个与服务器的连接
try{
zk=newZooKeeper(config,sessionTimeout,this);
Statstat=zk.exists(root,false);
if(stat==null){
//创建根节点
zk.create(root,newbyte[0],ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.PERSISTENT);
}
}catch(IOExceptione){
exception.add(e);
}catch(KeeperExceptione){
exception.add(e);
}catch(InterruptedExceptione){
exception.add(e);
}
}
@Override
publicvoidlock(){
if(exception.size()>0){
thrownewLockException(exception.get(0));
}
if(!tryLock()){
thrownewLockException("您的操作太频繁，请稍后再试");
}
}
@Override
publicvoidlockInterruptibly()throwsInterruptedException{
this.lock();
}
@Override
publicbooleantryLock(){
try{
myZnode=zk.create(root+"/"+lockName,newbyte[0],ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.PERSISTENT);
returntrue;
}catch(KeeperExceptione){
e.printStackTrace();
}catch(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}
returnfalse;
}
@Override
publicbooleantryLock(longtime,TimeUnitunit)throwsInterruptedException{
returntryLock();
}
@Override
publicvoidunlock(){
try{
zk.delete(myZnode,-1);
myZnode=null;
zk.close();
}catch(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}catch(KeeperExceptione){
e.printStackTrace();
}
}
@Override
publicConditionnewCondition(){
returnnull;
}
@Override
publicvoidprocess(WatchedEventwatchedEvent){
//
}
}

ZookeeperLocklock=null;
try{
lock=newZookeeperLock("127.0.0.1:2182","test1");
lock.lock();
//业务逻辑处理
}catch(LockExceptione){
throwe;
}finally{
if(lock!=null)
lock.unlock();
}

利用临时顺序节点控制时序实现

/lock已经预先存在，所有客户端在它下面创建临时顺序编号目录节点，和选master一样，编号最小的获得锁，用完删除，依次方便。\

算法思路：对于加锁操作，可以让所有客户端都去/lock目录下创建临时顺序节点，如果创建的客户端发现自身创建节点序列号是/lock/目录下最小的节点，则获得锁。否则，监视比自己创建节点的序列号小的节点（比自己创建的节点小的最大节点），进入等待。

对于解锁操作，只需要将自身创建的节点删除即可。

packagecom.shma.example.zookeeper.lock;
importjava.io.IOException;
importjava.util.ArrayList;
importjava.util.Collections;
importjava.util.List;
importjava.util.concurrent.CountDownLatch;
importjava.util.concurrent.TimeUnit;
importjava.util.concurrent.locks.Condition;
importjava.util.concurrent.locks.Lock;
importorg.apache.zookeeper.CreateMode;
importorg.apache.zookeeper.KeeperException;
importorg.apache.zookeeper.WatchedEvent;
importorg.apache.zookeeper.Watcher;
importorg.apache.zookeeper.ZooDefs;
importorg.apache.zookeeper.ZooKeeper;
importorg.apache.zookeeper.data.Stat;
/**
*CreatedbyIDEA
*User:mashaohua
*Date:2016-09-3016:09
*Desc:
*/
publicclassDistributedLockimplementsLock,Watcher{
privateZooKeeperzk;
privateStringroot="/locks";//根
privateStringlockName;//竞争资源的标志
privateStringwaitNode;//等待前一个锁
privateStringmyZnode;//当前锁
privateCountDownLatchlatch;//计数器
privateintsessionTimeout=30000;
privateList<Exception>exception=newArrayList<Exception>();
/**
*创建分布式锁,使用前请确认config配置的zookeeper服务可用
*@paramconfig127.0.0.1:2181
*@paramlockName竞争资源标志,lockName中不能包含单词lock
*/
publicDistributedLock(Stringconfig,StringlockName){
this.lockName=lockName;
//创建一个与服务器的连接
try{
zk=newZooKeeper(config,sessionTimeout,this);
Statstat=zk.exists(root,false);
if(stat==null){
//创建根节点
zk.create(root,newbyte[0],ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.PERSISTENT);
}
}catch(IOExceptione){
exception.add(e);
}catch(KeeperExceptione){
exception.add(e);
}catch(InterruptedExceptione){
exception.add(e);
}
}
/**
*zookeeper节点的监视器
*/
publicvoidprocess(WatchedEventevent){
if(this.latch!=null){
this.latch.countDown();
}
}
publicvoidlock(){
if(exception.size()>0){
thrownewLockException(exception.get(0));
}
try{
if(this.tryLock()){
System.out.println("Thread"+Thread.currentThread().getId()+""+myZnode+"getlocktrue");
return;
}
else{
waitForLock(waitNode,sessionTimeout);//等待锁
}
}catch(KeeperExceptione){
thrownewLockException(e);
}catch(InterruptedExceptione){
thrownewLockException(e);
}
}
publicbooleantryLock(){
try{
StringsplitStr="_lock_";
if(lockName.contains(splitStr))
thrownewLockException("lockNamecannotcontains\\u000B");
//创建临时子节点
myZnode=zk.create(root+"/"+lockName+splitStr,newbyte[0],ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
System.out.println(myZnode+"iscreated");
//取出所有子节点
List<String>subNodes=zk.getChildren(root,false);
//取出所有lockName的锁
List<String>lockObjNodes=newArrayList<String>();
for(Stringnode:subNodes){
String_node=node.split(splitStr)[0];
if(_node.equals(lockName)){
lockObjNodes.add(node);
}
}
Collections.sort(lockObjNodes);
System.out.println(myZnode+"=="+lockObjNodes.get(0));
if(myZnode.equals(root+"/"+lockObjNodes.get(0))){
//如果是最小的节点,则表示取得锁
returntrue;
}
//如果不是最小的节点，找到比自己小1的节点
StringsubMyZnode=myZnode.substring(myZnode.lastIndexOf("/")+1);
waitNode=lockObjNodes.get(Collections.binarySearch(lockObjNodes,subMyZnode)-1);
}catch(KeeperExceptione){
thrownewLockException(e);
}catch(InterruptedExceptione){
thrownewLockException(e);
}
returnfalse;
}
publicbooleantryLock(longtime,TimeUnitunit){
try{
if(this.tryLock()){
returntrue;
}
returnwaitForLock(waitNode,time);
}catch(Exceptione){
e.printStackTrace();
}
returnfalse;
}
privatebooleanwaitForLock(Stringlower,longwaitTime)throwsInterruptedException,KeeperException{
Statstat=zk.exists(root+"/"+lower,true);
//判断比自己小一个数的节点是否存在,如果不存在则无需等待锁,同时注册监听
if(stat!=null){
System.out.println("Thread"+Thread.currentThread().getId()+"waitingfor"+root+"/"+lower);
this.latch=newCountDownLatch(1);
this.latch.await(waitTime,TimeUnit.MILLISECONDS);
this.latch=null;
}
returntrue;
}
publicvoidunlock(){
try{
System.out.println("unlock"+myZnode);
zk.delete(myZnode,-1);
myZnode=null;
zk.close();
}catch(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}catch(KeeperExceptione){
e.printStackTrace();
}
}
publicvoidlockInterruptibly()throwsInterruptedException{
this.lock();
}
publicConditionnewCondition(){
returnnull;
}
publicclassLockExceptionextendsRuntimeException{
privatestaticfinallongserialVersionUID=1L;
publicLockException(Stringe){
super(e);
}
publicLockException(Exceptione){
super(e);
}
}
}

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Java分布式锁的三种实现方案

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