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SpringBoot中使用注解来实现 Redis 分布式锁

2年前 (2022) 程序员胖胖胖虎阿
222 0 0

一、业务背景

有些业务请求，属于耗时操作，需要加锁，防止后续的并发操作，同时对数据库的数据进行操作，需要避免对之前的业务造成影响。

二、分析流程

使用 Redis 作为分布式锁，将锁的状态放到  Redis 统一维护，解决集群中单机  JVM 信息不互通的问题，规定操作顺序，保护用户的数据正确。

梳理设计流程

  1. 新建注解 @interface，在注解里设定入参标志
  2. 增加 AOP 切点，扫描特定注解
  3. 建立 @Aspect 切面任务，注册 bean 和拦截特定方法
  4. 特定方法参数 ProceedingJoinPoint，对方法 pjp.proceed() 前后进行拦截
  5. 切点前进行加锁，任务执行后进行删除 key

核心步骤：加锁、解锁和续时

加锁

使用了 RedisTemplate 的 opsForValue.setIfAbsent 方法，判断是否有 key，设定一个随机数 UUID.random().toString，生成一个随机数作为 value。

从 redis 中获取锁之后，对 key 设定 expire 失效时间，到期后自动释放锁。

按照这种设计，只有第一个成功设定 Key 的请求，才能进行后续的数据操作，后续其它请求由于无法获得资源，将会失败结束。

超时问题

担心 pjp.proceed() 切点执行的方法太耗时，导致  Redis 中的  key 由于超时提前释放了。

例如，线程 A 先获取锁，proceed 方法耗时，超过了锁超时时间，到期释放了锁，这时另一个线程 B 成功获取 Redis 锁，两个线程同时对同一批数据进行操作，导致数据不准确。

解决方案：增加一个「续时」

任务不完成，锁不释放：

维护了一个定时线程池 ScheduledExecutorService ，每隔 2s 去扫描加入队列中的 Task，判断是否失效时间是否快到了，公式为：【失效时间】<= 【当前时间】+【失效间隔（三分之一超时）】

<pre class="prettyprint hljs livescript" style="padding: 0.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, &quot;Courier New&quot;, monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-thickness: initial; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">`/**

  • 线程池，每个 JVM 使用一个线程去维护 keyAliveTime，定时执行 runnable
    */

private static final ScheduledExecutorService SCHEDULER =
new ScheduledThreadPoolExecutor(1,
new BasicThreadFactory.Builder().namingPattern("redisLock-schedule-pool").daemon(true).build());
static {
SCHEDULER.scheduleAtFixedRate(() -> {
// do something to extend time
}, 0, 2, TimeUnit.SECONDS);
}` </pre>

三、设计方案

经过上面的分析，同事小设计出了这个方案：

SpringBoot中使用注解来实现 Redis 分布式锁

前面已经说了整体流程，这里强调一下几个核心步骤：

  • 拦截注解 @RedisLock，获取必要的参数

  • 加锁操作

  • 续时操作

  • 结束业务，释放锁

四、实操

之前也有整理过 AOP 使用方法，可以参考一下

相关属性类配置

业务属性枚举设定

<pre class="prettyprint hljs typescript" style="padding: 0.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, &quot;Courier New&quot;, monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-thickness: initial; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">`public enum RedisLockTypeEnum {

/**

  • 自定义 key 前缀
    */
    ONE("Business1", "Test1"),

    TWO("Business2", "Test2");
    private String code;
    private String desc;
    RedisLockTypeEnum(String code, String desc) {

     this.code = code;
 this.desc = desc;

    }
    public String getCode() {

     return code;

    }
    public String getDesc() {

     return desc;

    }
    public String getUniqueKey(String key) {

     return String.format("%s:%s", this.getCode(), key);

    }

}` </pre>

任务队列保存参数

<pre class="prettyprint hljs gradle" style="padding: 0.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, &quot;Courier New&quot;, monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-thickness: initial; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">`public class RedisLockDefinitionHolder {

/**
  • 业务唯一 key
    */
    private String businessKey;
    /**
  • 加锁时间 (秒 s)
    */
    private Long lockTime;
    /**
  • 上次更新时间（ms）
    */
    private Long lastModifyTime;
    /**
  • 保存当前线程
    */
    private Thread currentTread;
    /**
  • 总共尝试次数
    */
    private int tryCount;
    /**
  • 当前尝试次数
    */
    private int currentCount;
    /**

  • 更新的时间周期（毫秒）,公式 = 加锁时间（转成毫秒） / 3
    */
    private Long modifyPeriod;
    public RedisLockDefinitionHolder(String businessKey, Long lockTime, Long lastModifyTime, Thread currentTread, int tryCount) {

     this.businessKey = businessKey;
 this.lockTime = lockTime;
 this.lastModifyTime = lastModifyTime;
 this.currentTread = currentTread;
 this.tryCount = tryCount;
 this.modifyPeriod = lockTime * 1000 / 3;

    }

}` </pre>

设定被拦截的注解名字

<pre class="prettyprint hljs less" style="padding: 0.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, &quot;Courier New&quot;, monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-thickness: initial; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">`@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target({ElementType.METHOD, ElementType.TYPE})
public @interface RedisLockAnnotation {

/**
  • 特定参数识别，默认取第 0 个下标
    */
    int lockFiled() default 0;
    /**
  • 超时重试次数
    */
    int tryCount() default 3;
    /**
  • 自定义加锁类型
    */
    RedisLockTypeEnum typeEnum();
    /**
  • 释放时间，秒 s 单位
    */
    long lockTime() default 30;

}` </pre>

核心切面拦截的操作

RedisLockAspect.java 该类分成三部分来描述具体作用

Pointcut 设定

<pre class="prettyprint hljs css" style="padding: 0.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, &quot;Courier New&quot;, monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-thickness: initial; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">`/**

  • @annotation 中的路径表示拦截特定注解
    */

@Pointcut("@annotation(cn.sevenyuan.demo.aop.lock.RedisLockAnnotation)")
public void redisLockPC() {
}` </pre>

Around 前后进行加锁和释放锁

前面步骤定义了我们想要拦截的切点，下一步就是在切点前后做一些自定义操作：

<pre class="prettyprint hljs elm" style="padding: 0.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, &quot;Courier New&quot;, monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-thickness: initial; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">`@Around(value = "redisLockPC()")
public Object around(ProceedingJoinPoint pjp) throws Throwable {

// 解析参数
Method method = resolveMethod(pjp);
RedisLockAnnotation annotation = method.getAnnotation(RedisLockAnnotation.class);
RedisLockTypeEnum typeEnum = annotation.typeEnum();
Object[] params = pjp.getArgs();
String ukString = params[annotation.lockFiled()].toString();
// 省略很多参数校验和判空
String businessKey = typeEnum.getUniqueKey(ukString);
String uniqueValue = UUID.randomUUID().toString();
// 加锁
Object result = null;
try {
    boolean isSuccess = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(businessKey, uniqueValue);
    if (!isSuccess) {
        throw new Exception("You can't do it，because another has get the lock =-=");
    }
    redisTemplate.expire(businessKey, annotation.lockTime(), TimeUnit.SECONDS);
    Thread currentThread = Thread.currentThread();
    // 将本次 Task 信息加入「延时」队列中
    holderList.add(new RedisLockDefinitionHolder(businessKey, annotation.lockTime(), System.currentTimeMillis(),
            currentThread, annotation.tryCount()));
    // 执行业务操作
    result = pjp.proceed();
    // 线程被中断，抛出异常，中断此次请求
    if (currentThread.isInterrupted()) {
        throw new InterruptedException("You had been interrupted =-=");
    }
} catch (InterruptedException e ) {
    log.error("Interrupt exception, rollback transaction", e);
    throw new Exception("Interrupt exception, please send request again");
} catch (Exception e) {
    log.error("has some error, please check again", e);
} finally {
    // 请求结束后，强制删掉 key，释放锁
    redisTemplate.delete(businessKey);
    log.info("release the lock, businessKey is [" + businessKey + "]");
}
return result;

}` </pre>

上述流程简单总结一下：

  • 解析注解参数，获取注解值和方法上的参数值

  • redis 加锁并且设置超时时间

  • 将本次 Task 信息加入「延时」队列中，进行续时，方式提前释放锁

  • 加了一个线程中断标志

  • 结束请求，finally 中释放锁

续时操作

这里用了 ScheduledExecutorService ，维护了一个线程，不断对任务队列中的任务进行判断和延长超时时间：

<pre class="prettyprint hljs awk" style="padding: 0.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, &quot;Courier New&quot;, monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-thickness: initial; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">`// 扫描的任务队列
private static ConcurrentLinkedQueue<RedisLockDefinitionHolder> holderList = new ConcurrentLinkedQueue();
/**

  • 线程池，维护keyAliveTime
    */

private static final ScheduledExecutorService SCHEDULER = new ScheduledThreadPoolExecutor(1,

    new BasicThreadFactory.Builder().namingPattern("redisLock-schedule-pool").daemon(true).build());

{

// 两秒执行一次「续时」操作
SCHEDULER.scheduleAtFixedRate(() -> {
    // 这里记得加 try-catch，否者报错后定时任务将不会再执行=-=
    Iterator<RedisLockDefinitionHolder> iterator = holderList.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        RedisLockDefinitionHolder holder = iterator.next();
        // 判空
        if (holder == null) {
            iterator.remove();
            continue;
        }
        // 判断 key 是否还有效，无效的话进行移除
        if (redisTemplate.opsForValue().get(holder.getBusinessKey()) == null) {
            iterator.remove();
            continue;
        }
        // 超时重试次数，超过时给线程设定中断
        if (holder.getCurrentCount() > holder.getTryCount()) {
            holder.getCurrentTread().interrupt();
            iterator.remove();
            continue;
        }
        // 判断是否进入最后三分之一时间
        long curTime = System.currentTimeMillis();
        boolean shouldExtend = (holder.getLastModifyTime() + holder.getModifyPeriod()) <= curTime;
        if (shouldExtend) {
            holder.setLastModifyTime(curTime);
            redisTemplate.expire(holder.getBusinessKey(), holder.getLockTime(), TimeUnit.SECONDS);
            log.info("businessKey : [" + holder.getBusinessKey() + "], try count : " + holder.getCurrentCount());
            holder.setCurrentCount(holder.getCurrentCount() + 1);
        }
    }
}, 0, 2, TimeUnit.SECONDS);

}` </pre>

这段代码，用来实现设计图中虚线框的思想，避免一个请求十分耗时，导致提前释放了锁。

这里加了「线程中断」 Thread#interrupt ，希望超过重试次数后，能让线程中断 （未经严谨测试，仅供参考哈哈哈哈）

不过建议如果遇到这么耗时的请求，还是能够从根源上查找，分析耗时路径，进行业务优化或其它处理，避免这些耗时操作。

所以记得多打点 Log ，分析问题时可以更快一点。 记录项目日志，一个注解搞定

五、开始测试

在一个入口方法中，使用该注解，然后在业务中模拟耗时请求，使用了 Thread#sleep

<pre class="prettyprint hljs less" style="padding: 0.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, &quot;Courier New&quot;, monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-thickness: initial; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">`@GetMapping("/testRedisLock")
@RedisLockAnnotation(typeEnum = RedisLockTypeEnum.ONE, lockTime = 3)
public Book testRedisLock(@RequestParam("userId") Long userId) {

try {
    log.info("睡眠执行前");
    Thread.sleep(10000);
    log.info("睡眠执行后");
} catch (Exception e) {
    // log error

log.info("has some error", e);
}
return null;
}` </pre>

使用时，在方法上添加该注解，然后设定相应参数即可，根据 typeEnum 可以区分多种业务，限制该业务被同时操作。

测试结果：

<pre class="prettyprint hljs css" style="padding: 0.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, &quot;Courier New&quot;, monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-thickness: initial; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">`2020-04-04 14:55:50.864 INFO 9326 --- [nio-8081-exec-1] c.s.demo.controller.BookController : 睡眠执行前
2020-04-04 14:55:52.855 INFO 9326 --- [k-schedule-pool] c.s.demo.aop.lock.RedisLockAspect : businessKey : [Business1:1024], try count : 0
2020-04-04 14:55:54.851 INFO 9326 --- [k-schedule-pool] c.s.demo.aop.lock.RedisLockAspect : businessKey : [Business1:1024], try count : 1
2020-04-04 14:55:56.851 INFO 9326 --- [k-schedule-pool] c.s.demo.aop.lock.RedisLockAspect : businessKey : [Business1:1024], try count : 2
2020-04-04 14:55:58.852 INFO 9326 --- [k-schedule-pool] c.s.demo.aop.lock.RedisLockAspect : businessKey : [Business1:1024], try count : 3
2020-04-04 14:56:00.857 INFO 9326 --- [nio-8081-exec-1] c.s.demo.controller.BookController : has some error
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
at java.lang.Thread.sleep(Native Method) [na:1.8.0_221]` </pre>

我这里测试的是重试次数过多，失败的场景，如果减少睡眠时间，就能让业务正常执行。

如果同时请求，你将会发现以下错误信息：

表示我们的锁的确生效了，避免了重复请求。

六、总结

对于耗时业务和核心数据，不能让重复的请求同时操作数据，避免数据的不正确，所以要使用分布式锁来对它们进行保护。

再来梳理一下设计流程：

  1. 新建注解 @interface，在注解里设定入参标志
  2. 增加 AOP 切点，扫描特定注解
  3. 建立 @Aspect 切面任务，注册 bean 和拦截特定方法
  4. 特定方法参数 ProceedingJoinPoint，对方法 pjp.proceed() 前后进行拦截
  5. 切点前进行加锁，任务执行后进行删除 key

本次学习是通过 Review 小伙伴的代码设计，从中了解分布式锁的具体实现，仿照他的设计，重新写了一份简化版的业务处理。对于之前没考虑到的「续时」操作，这里使用了守护线程来定时判断和延长超时时间，避免了锁提前释放。

于是乎，同时回顾了三个知识点：

1、 AOP 的实现和常用方法

2、定时线程池 ScheduledExecutorService 的使用和参数含义

3、线程 Thread#interrupt 的含义以及用法（这个挺有意思的，可以深入再学习一下）

版权声明：程序员胖胖胖虎阿 发表于 2022年9月27日 上午4:48。
转载请注明：SpringBoot中使用注解来实现 Redis 分布式锁 | 胖虎的工具箱-编程导航

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