R2M分布式锁原理及实践

作者：京东科技张石磊

1 案例引入

名词简介：

资源：可以理解为一条内容，或者图+文字+链接的载体。

档位ID: 资源的分类组，资源必须归属于档位。

问题描述：当同一个档位下2条资源同时审批通过时，收到擎天审批系统2条消息，消费者应用部署了2台机器，此时正好由2台机器分别消费，在并发消费时，先更新资源状态，然后写缓存，每次取前100条资源，类似select * from resource where gear_id=xxx limit 100 order by id desc;

在写档位缓存，此时事务未提交，并发查询时根据档位Id查询时查询不到对方的数据，全量写缓存时导致后写的缓存覆盖了先写的缓存，即缓存被覆盖，导致投放资源缺失。

方案思考：

方案1：一台机器消费mq–单点问题

方案2：将同档位ID的资源路由到同一个queue,需要审批系统配合根据档位Id做路由，审批系统发的消息不只是cms审批数据，此方案不适用。

方案3：在档位级别加分布式锁。

经比较，最终采用方案3是合适的方案.

2 锁说明和分布式锁选择

synchronized锁的粒度是JVM进程维度，集群模式下，不能对共享资源加锁，此时需要跨JVM进程的分布式锁。

分布式锁方式核心实现方式优点缺点分析

1 数据库：

悲观锁，lock

乐观锁，通过版本号实现version

实现简单，不依赖中间件

数据库IO瓶颈，性能差

单实例存在单点问题，主从架构存在数据不一致，主从切换时其他客户端可重复加锁。

2 zookeeper

创建临时节点

CP模型，可靠性高，不存在主从切换不一致问题

频繁创建和销毁临时节点，且

集群模式下，leader数据需要同步到follower才算加锁成功，性能不如redis

主从切换服务不可用

3 redis集群

setnx+expire

性能高

有封装好的框架redission

支持超时自动删除锁

集群支持高可用，AP模型

主从切换时其他客户端可重复加锁。

R2M是基于开源的Redis cluster(Redis 3.0以上版本)构建的高性能分布式缓存系统，我们系统一直在使用，3.2.5版本开始支持分布式锁。

3 r2m分布式锁原理

示例代码：

String lockKey = CacheKeyHelper.getGearLockKey(EnvEnum.getEnvFlagEnum(envCode),resource.getGearId());

R2mLock lock = (R2mLock) r2mClusterClient.getLock(lockKey);

//获取锁，锁的默认有效期30s,获取不到锁就阻塞

lock.lock();

try {

    //业务代码

    resourceService.afterApprovedHandle(resource);

}  finally {

    //释放锁

    lock.unlock();

}

1 加锁核心流程：

加锁流程图：

1）：尝试获取锁，通过执行加锁Lua脚本来做；

2）：若第一步未获取到锁，则去redis订阅解锁消息

3）：一旦持有锁的线程释放了锁，就会广播解锁消息，其他线程自旋重新尝试获取锁。

核心加锁原理：使用lua脚本封装了hset和pexpire命令，保证是一个原子操作， KEYS[1]是加锁的key,argv[2]是加锁的客户端ID(UUID+线程ID),ARGV[1]是锁的有效期，默认30s.

private Object acquireInternal(List<String> args) {

if (!this.setLocked() && this.getHolderId() != Thread.currentThread().getId()) {

return -1L;

} else {

try {

//hash结构，hash的key是加锁的key,键值对的key为客户端的UUID+线程id,value为锁的重入计数器值。

return this.lockSha() != null ? this.executor.evalR2mLockSha(this.lockSha(),

"if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then redis.call('hset', 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 -2;", Collections.singletonList(this.lockName), args) : this.executor. == 0) then redis.call('hset', 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 -2;", Collections.singletonList(this.lockName), args);

} catch (Exception var3) {

this.setUnlocked();

throw new R2mLockException("Failed to acquire lock " + this.lockName + ".", var3);

}

}

}

args参数

private List<String> acquireArgs(long leaseTime) {

        List<String> args = new ArrayList();

        if (leaseTime != -1L) {

            args.add(String.valueOf(leaseTime));

        } else {

             //默认30s

            args.add(String.valueOf(this.internalLockLeaseTime()));

        }

        //UUID+当前线程id

        args.add(this.currentThreadLockId(Thread.currentThread().getId()));

        return args;

    }

获取锁失败订阅锁的channel

//获取锁失败，订阅释放锁的消息

 private boolean failedAcquire() {

            this.subLock();

            return false;

        }

 private void subLock() {

            CompletableFuture<Void> cf = R2mLock.this.executor.lockSubscribe(R2mLock.this.lockPubSub(), R2mLock.this.getLockChannelName(), R2mLock.this);

            if (cf != null) {

                cf.handleAsync(this::reSubIfEx);

            }

        }

锁释放后，订阅者通过自旋尝试获取锁。

//tryAcquire获取锁，！tryAcquire就是获取锁失败，锁释放后，通知线程唤醒后返回false,然后通过自旋，尝试获取锁，

public final void acquire(long arg) {

        if (!tryAcquire(arg) &&

            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))

            selfInterrupt();

    }

 final boolean acquireQueued(final Node node, long arg) {

        boolean failed = true;

        try {

            boolean interrupted = false;

            //内部自旋获取锁

            for (;;) {

                final Node p = node.predecessor();

                if (p == head && tryAcquire(arg)) {

                    setHead(node);

                    p.next = null; // help GC

                    failed = false;

                    return interrupted;

                }

                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&

                    parkAndCheckInterrupt())

                    interrupted = true;

            }

        } finally {

            if (failed)

                cancelAcquire(node);

        }

    }

2 释放锁核心逻辑：

1）删除分布式锁key（如果可重入锁计数为0）

发释放锁的广播消息

3）取消watchdog

private Object unlockInternal(List<String> args) {

        logger.debug("{} trying to unlock.", Thread.currentThread().getId());

        Object var2;

        try {

     //判断锁 key 是否存在，如果存在，然后递减hash的value值，当value值为0时再删除锁key，并且广播释放锁的消息

            if (this.unlockSha() == null) {

                var2 = this.executor. == 0) then return nil;end; local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[3], -1); if (counter > 0) then return 0; else redis.call('del', KEYS[1]); redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); return 1; end; return nil;", Arrays.asList(this.lockName, this.getLockChannelName()), args);

                return var2;

            }

            var2 = this.executor.evalR2mLockSha(this.unlockSha(), "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 return 0; else redis.call('del', KEYS[1]); redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); return 1; end; return nil;", Arrays.asList(this.lockName, this.getLockChannelName()), args);

        } catch (Exception var6) {

            throw new R2mLockException("Failed to unlock " + this.lockName + ".", var6);

        } finally {

            this.finalizeRelease();

        }

        return var2;

    }

//取消当前线程的watchdog

 private void finalizeRelease() {

        long threadId = Thread.currentThread().getId();

        R2mLock.ExpirableEntry entry = (R2mLock.ExpirableEntry)this.entryCache.get(threadId);

        if (entry != null) {

            entry.release(threadId);

            if (entry.isReleased()) {

                //取消这个线程watchdog定时任务

                entry.getExtTask().cancel();

                this.expEntry.compareAndSet(entry, (Object)null);

                //从缓存watchdog线程的map中删除该线程

                this.entryCache.remove(threadId);

            }

        }

    }

3 锁的健壮性思考

1 业务没执行完，锁超时过期怎么办？

客户端加锁默认有效期30s，超过有效期后如果业务没执行完，还需要持有这把锁，r2m客户端提供了续期机制，也就是watchdog机制。

watchdog原理：客户端线程维度（UUID+线程ID,客户端维护一个MAP,key就是UUID+线程ID）的后台定时线程，获取锁成功后，如果客户端还持有当前锁，每隔10s(this.internalLockLeaseTime() / 3L)，去延长锁的有效期（internalLockLeaseTime）

//watchdog核心机制 ，internalLockLeaseTime默认30s

private void extendLock(long holderId) {

        if (this.expEntry.get() != null) {

            R2mLock.ExpirableEntry holderEntry = (R2mLock.ExpirableEntry)this.entryCache.get(holderId);

            if (holderEntry != null) {

                 //每隔10s,如果当前线程持有锁，则续期30s

                if (this.expEntry.compareAndSet(holderEntry, holderEntry)) {

                    Timeout task = this.timer().newTimeout((timeout) -> {

                        if (this.extendLockInternal(holderId)) {

                            this.extendLock(holderId);

                        }

                    }, this.internalLockLeaseTime() / 3L, TimeUnit.MILLISECONDS);

                    if (this.expEntry.get() != null) {

                        ((R2mLock.ExpirableEntry)this.expEntry.get()).setExtTask(task);

                    }

                }

            }

        }

    }

 //执行续期lua脚本

 private boolean extendLockInternal(long threadId) {

        Object result;

        try {

           //只续期

            if (this.extendLockSha() != null) {

                result = this.executor.evalR2mLockSha(this.extendLockSha(), "if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); return 1; end; return 0;", Collections.singletonList(this.lockName), this.extendLockArgs(threadId));

            } else {

                result = this.executor. == 1) then redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); return 1; end; return 0;", Collections.singletonList(this.lockName), this.extendLockArgs(threadId));

            }

        } catch (Exception var5) {

            return false;

        }

        return Long.parseLong(result.toString()) == 1L;

    }

2 客户端宕机，锁如何释放？

分布式锁是有效期的，客户端宕机后，watchdog机制失效，锁过期自动失效。

3 redis分布式锁集群模式下缺陷

r2m集群模式，极端情况，master加锁成功，宕机，还未来得及同步到slave,主从切换，slave切换成master,可以继续加锁，对于非及其严格加锁场景，该方案可满足，属于AP；对于严格场景下的分布式锁，可采用基于zookeeper的分布式锁，属于CP，leader宕机，folllower选举时不可用。性能上redis更优。

4 锁的释放问题

注意锁的释放在finally中释放，必须由锁的持有者释放，不能由其他线程释放别人的锁，示例代码中lock放到try的外面。