Lua+Redis：分布式鎖解決方案分享
介紹
當(dāng)我們涉及到多進(jìn)程或多節(jié)點的分布式系統(tǒng)時，傳統(tǒng)的單機(jī)鎖機(jī)制不再足夠應(yīng)對并發(fā)控制的需求。這是因為在分布式環(huán)境中，多個進(jìn)程或節(jié)點同時訪問共享資源，傳統(tǒng)鎖無法有效地協(xié)調(diào)這種復(fù)雜的并發(fā)情況，這就引入了分布式鎖，本文將一步一步引導(dǎo)大家使用lua腳本和redis實現(xiàn)分布式鎖。
理解分布式鎖
1、什么是分布式鎖？
分布式鎖的是確保在多個進(jìn)程或多個節(jié)點之間對共享資源的訪問是有序、互斥和原子的，以避免競態(tài)條件和數(shù)據(jù)不一致性問題。在多進(jìn)程或多節(jié)點環(huán)境中，分布式鎖廣泛應(yīng)用于協(xié)調(diào)共享資源的安全訪問。
2、Redis作為分布式鎖的選擇
Redis（Remote Dictionary Server）是一種高性能的開源內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，因其具有以下優(yōu)勢，使其成為實現(xiàn)分布式鎖的理想選擇：
- 高性能和低延遲：Redis以內(nèi)存為基礎(chǔ)，使得數(shù)據(jù)的讀寫操作非?？焖?，具有極低的延遲，適用于高吞吐量的應(yīng)用場景。
- 持久性支持：盡管Redis是內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，但它支持不同級別的數(shù)據(jù)持久性，可以將數(shù)據(jù)持久化到磁盤，確保數(shù)據(jù)不會因服務(wù)器重啟而丟失。
- 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富：Redis支持多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如字符串、哈希、列表、集合和有序集合等，這使得它非常適合在分布式鎖實現(xiàn)中靈活地操作數(shù)據(jù)。
- 原子性操作：Redis提供了各種原子性操作，包括原子的SETNX（SET if Not eXists）操作，這是實現(xiàn)分布式鎖所需的基本操作之一。
- 發(fā)布-訂閱功能：Redis支持發(fā)布-訂閱模式，可用于實現(xiàn)分布式鎖的通知機(jī)制，以便其他進(jìn)程能夠獲知鎖的狀態(tài)變化。
- Lua腳本支持：Redis支持運(yùn)行Lua腳本，這意味著可以在Redis服務(wù)器上執(zhí)行復(fù)雜的原子性操作，確保在多個命令之間不會發(fā)生競態(tài)條件(重點)。
Redis的高性能、持久性、豐富的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及對Lua腳本的支持，使其成為實現(xiàn)分布式鎖的理想選擇。特別是Lua腳本的原子性執(zhí)行，確保了獲取和釋放分布式鎖的操作是不可分割的，從而有效地解決了競態(tài)條件問題，確保了分布式鎖的可靠性。
Lua腳本基礎(chǔ)
1、Lua腳本簡介
Lua是一種輕量級、高性能的腳本語言，廣泛用于嵌入式系統(tǒng)和游戲開發(fā)，也被用于各種其他應(yīng)用中：
- 輕量級：Lua被設(shè)計為一種輕量級的腳本語言，具有小巧的代碼庫和低內(nèi)存消耗。這使得它適用于嵌入式系統(tǒng)和資源受限的環(huán)境。
- 高性能：Lua的解釋器非?？焖伲瑘?zhí)行效率高。這使得它在需要快速執(zhí)行的應(yīng)用中表現(xiàn)出色，如游戲引擎。
- 可嵌入性：Lua可以輕松嵌入到其他編程語言中，例如C/C++。這種特性使得它成為擴(kuò)展應(yīng)用程序功能的有力工具。
- 簡單的語法：Lua采用簡單、清晰的語法，易于學(xué)習(xí)和使用。它支持面向過程和函數(shù)式編程范式。
- 動態(tài)類型：Lua是一種動態(tài)類型語言，變量的類型在運(yùn)行時確定。這增加了靈活性，但也需要更多的注意力來處理類型相關(guān)的錯誤。
Redis是一種開源的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，常用于緩存、隊列和實時數(shù)據(jù)處理等場景。Redis引入了Lua腳本引擎，允許用戶編寫和執(zhí)行Lua腳本來操作Redis數(shù)據(jù)。Lua腳本可以在Redis服務(wù)器上執(zhí)行，確保多個Redis命令在單個事務(wù)中原子執(zhí)行。這對于需要執(zhí)行多個命令來維護(hù)數(shù)據(jù)一致性的應(yīng)用非常有用。
Lua腳本在Redis中的應(yīng)用使得Redis不僅僅是一個簡單的鍵值存儲，還可以執(zhí)行復(fù)雜的操作和自定義業(yè)務(wù)邏輯，提高了Redis的靈活性和性能。這使得它成為處理高并發(fā)、實時數(shù)據(jù)的流行選擇。
2、Redis 執(zhí)行 Lua腳本
Lua執(zhí)行格式：EVAL script numkeys key [key ...] arg [arg ...]
eval "return {KEYS[1],KEYS[2],ARGV[1],ARGV[2]}" 2 key1 key2 arg1 arg2
eval: 腳本執(zhí)行命令
"return {KEYS[1],KEYS[2],ARGV[1],ARGV[2]}": 腳本內(nèi)容
2: key數(shù)量
key1 key2 arg1 arg2: key和value的值 角標(biāo)從1開始
因為numkeys數(shù)量為2，故key1 key2 為key， arg1 arg2為value例1:
127.0.0.1:6379> eval "return redis.call('set',KEYS[1],'liulianJAVA')" 1 name
OK
127.0.0.1:6379> get name
"liulianJAVA"
127.0.0.1:6379>例2:
127.0.0.1:6379> eval "return redis.call('set',KEYS[1], ARGV[1])" 1 name LIULIANJAVA
OK
127.0.0.1:6379> get name
"LIULIANJAVA"
127.0.0.1:6379>第三部分：Java與Redis集成
1、Jedis庫簡介
Jedis是一個流行的Java客戶端庫，用于與Redis數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信。它提供了一組用于連接、執(zhí)行Redis命令和操作數(shù)據(jù)的API，使Java開發(fā)人員能夠輕松地與Redis服務(wù)器進(jìn)行交互。以下是強(qiáng)調(diào)Jedis的重要性的幾個方面：
- 簡單易用的API：Jedis提供了直觀且易于理解的API，使Java開發(fā)人員能夠輕松地與Redis進(jìn)行通信。這使得在Java應(yīng)用程序中使用Redis變得非常容易。
- 高性能：Jedis被設(shè)計為高性能的Redis客戶端庫。它使用了連接池和管道技術(shù)來提高性能，從而在高并發(fā)環(huán)境中表現(xiàn)出色。這對于需要快速訪問Redis的應(yīng)用程序非常重要。
- 廣泛的社區(qū)支持：Jedis是一個廣泛采用的庫，擁有龐大的開發(fā)者社區(qū)和資源。這意味著您可以輕松地找到文檔、教程和解決方案，以解決與Jedis相關(guān)的問題。
- Redis功能的完全支持：Jedis支持Redis的所有功能，包括字符串、哈希、列表、集合、有序集合等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。您可以使用Jedis執(zhí)行所有Redis命令，而無需擔(dān)心兼容性問題。
- 事務(wù)和管道支持：Jedis支持Redis的事務(wù)和管道功能。這允許您將多個命令組合成一個原子性操作，或者批量執(zhí)行多個命令以提高性能。
Jedis是一個強(qiáng)大、易于使用且高性能的Java庫，用于與Redis數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信。它為Java開發(fā)人員提供了一個便捷的工具，使他們能夠利用Redis的強(qiáng)大功能來構(gòu)建高性能、可擴(kuò)展和可靠的應(yīng)用程序。因此，對于需要使用Redis的Java應(yīng)用程序來說，Jedis是一個不可或缺的工具。
2、連接Redis
首先，確保已經(jīng)將Jedis庫添加到Java項目的依賴中。可以使用Maven或Gradle等構(gòu)建工具來添加Jedis依賴。
<dependency>
<groupId>redis.clients</groupId>
<artifactId>jedis</artifactId>
<version>3.6.1</version>
</dependency>import redis.clients.jedis.Jedis;
public class JedisExample {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建一個Jedis連接實例，連接到Redis服務(wù)器，默認(rèn)端口為6379
Jedis jedis = new Jedis("localhost", 6379);
jedis.auth("liulianJAVA");
// 執(zhí)行一些Redis操作
jedis.set("myKey", "Hello, Redis!");
String value = jedis.get("myKey");
System.out.println("Value for 'myKey': " + value);
// 關(guān)閉連接
jedis.close();
}
}在這個示例中，我們首先創(chuàng)建了一個Jedis實例，并指定了要連接的Redis服務(wù)器的主機(jī)名（localhost）和端口號（6379）。然后，我們使用set方法將一個鍵值對存儲在Redis中，使用get方法檢索該鍵的值，最后關(guān)閉了連接。
第四部分：使用Lua腳本實現(xiàn)分布式鎖
1、獲取分布式鎖
public static boolean acquireLock(Jedis jedis, String lockName, int lockTimeout) {
String luaScript = "if redis.call('set', KEYS[1], ARGV[1], 'NX', 'EX', ARGV[2]) then return 1 else return 0 end";
Object result = jedis.eval(luaScript, 1, lockName, LOCK_VALUE, String.valueOf(lockTimeout));
return result != null && "1".equals(result.toString());
}獲取鎖所需參數(shù):
jedis: redis連接
lockName: 鎖名稱
lockTimeout: 鎖超時時間2、釋放分布式鎖
public static void releaseLock(Jedis jedis, String lockName) {
jedis.del(lockName);
}釋放鎖所需參數(shù):
jedis: redis連接
lockName: 鎖名稱第五部分：鎖示例和實踐
1、分布式鎖示例
LockUtil.java：
import redis.clients.jedis.Jedis;
public class LockUtil {
private static final String LOCK_VALUE = "locked"; // 鎖的值
// 獲取鎖 所需參數(shù):jedis:redis連接信息 lockName: 鎖名稱 lockTimeout: 鎖超時時間
public static boolean acquireLock(Jedis jedis, String lockName, int lockTimeout) {
String luaScript = "if redis.call('set', KEYS[1], ARGV[1], 'NX', 'EX', ARGV[2]) then return 1 else return 0 end";
Object result = jedis.eval(luaScript, 1, lockName, LOCK_VALUE, String.valueOf(lockTimeout));
return result != null && "1".equals(result.toString());
}
public static boolean acquireLockWithRetry(Jedis jedis, String LOCK_KEY, int maxRetrySeconds) {
long startTime = System.currentTimeMillis();
while (true) {
long currentTime = System.currentTimeMillis();
if (currentTime - startTime >= maxRetrySeconds * 1000L) {
// 超過預(yù)設(shè)的秒數(shù)，返回獲取失敗
return false;
}
// 嘗試獲取鎖
boolean lockAcquired = acquireLock(jedis,LOCK_KEY, 60000);
if (lockAcquired) {
return true; // 成功獲取鎖
}
// 等待一段時間后重試
try {
Thread.sleep(100); // 100毫秒后重試
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
return false; // 線程被中斷，返回獲取失敗
}
}
}
// 釋放鎖所需參數(shù): jedis: redis連接 lockName: 鎖名稱
public static void releaseLock(Jedis jedis, String lockName) {
jedis.del(lockName);
}
}2、實踐模擬
Test.java：
import java.util.ArrayList;
public class Test {
private static Integer number = 10000;
public static void main(String[] args) {
ArrayList<Thread> threads = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 10000; i ++){
threads.add(new Thread(()-> Test.number = Test.number -1));
}
for (int i = 0; i < 10000; i ++){
threads.get(i).start();
}
threads.forEach(thread -> {
try {
thread.join();
} catch (InterruptedException ignored) {
}
});
System.out.println("number結(jié)果: " + number);
}
}number結(jié)果: 241引入分布式鎖后:
import redis.clients.jedis.Jedis;
import redis.clients.jedis.JedisPool;
import redis.clients.jedis.JedisPoolConfig;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class DistributedLockExample {
private static Integer number = 1000;
public static void main(String[] args) {
List<Thread> threads = new ArrayList<>();
// 創(chuàng)建Jedis連接池
JedisPoolConfig poolConfig = new JedisPoolConfig();
poolConfig.setMaxTotal(1000);
JedisPool jedisPool = new JedisPool(poolConfig, "127.0.0.1", 6379, 200000, "liulian");
String lockName = "liulian";
for (int i = 0; i < 1000 ; i++){
threads.add(new Thread(() -> {
try (Jedis jedis = jedisPool.getResource()) {
// 獲取鎖
boolean lockAcquired = LockUtil.acquireLockWithRetry(jedis, lockName, 600);
if (lockAcquired) {
try {
// 在鎖內(nèi)執(zhí)行關(guān)鍵操作
number = number - 1;
} finally {
// 釋放鎖
LockUtil.releaseLock(jedis, lockName);
}
} else {
System.out.println("Failed to acquire lock.");
}
}
}));
}
threads.forEach(Thread::start);
threads.forEach(thread -> {
try {
thread.join();
} catch (InterruptedException ignored) {
}
});
System.out.println("number結(jié)果: " + number);
// 關(guān)閉Jedis連接池
jedisPool.close();
}
private static void performCriticalOperation() {
// 在這里執(zhí)行關(guān)鍵操作，例如訪問共享資源或執(zhí)行任務(wù)
System.out.println("Critical operation performed.");
}
}number結(jié)果: 0分布式鎖在現(xiàn)代分布式系統(tǒng)中扮演了重要的角色，它們確保了并發(fā)操作的安全性和一致性。通過使用Redis和Lua腳本，我們已經(jīng)了解了如何實現(xiàn)一個簡單但有效的分布式鎖。然而，分布式系統(tǒng)中的鎖管理不僅僅局限于此。在實際應(yīng)用中，我們可能需要處理更多的復(fù)雜情況，如鎖的超時、死鎖檢測、鎖的可重入性等。
此外，分布式鎖的性能和可用性也是關(guān)鍵因素，需要仔細(xì)考慮和優(yōu)化。在實際生產(chǎn)環(huán)境中使用分布式鎖時，請確保全面測試和監(jiān)控，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。
無論如何，分布式鎖是構(gòu)建可靠分布式系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，對于確保數(shù)據(jù)完整性和一致性至關(guān)重要。希望本文能夠幫助您更好地理解分布式鎖的基本原理和實現(xiàn)方式，并為大家在構(gòu)建分布式應(yīng)用程序時提供有價值的指導(dǎo)。
