微服务架构的守护者：Redisson 分布式锁与看门狗机制实战指南

时间：2025-03-26 09:19:36

1. 分布式锁简介

1.1 什么是分布式锁

在单机应用中，可以使用 Java 内置的锁机制（如 synchronized、ReentrantLock 等）来实现线程间的同步。但在分布式环境下，由于应用部署在多台服务器上，传统的单机锁无法满足需求，这时就需要分布式锁。

分布式锁是一种跨 JVM、跨服务器的锁机制，它能够在分布式系统中对共享资源进行互斥访问控制，确保在同一时间只有一个客户端可以获得锁并执行操作。

1.2 分布式锁应用场景

  1. 防止重复下单：在电商系统中，防止用户重复提交订单
  2. 秒杀系统：控制商品库存的并发访问，避免超卖
  3. 定时任务：确保集群环境下，定时任务只被一个节点执行
  4. 数据一致性保护：保护跨系统的数据一致性操作

1.3 分布式锁的核心要求

  1. 互斥性：在任何时刻，只有一个客户端能持有锁
  2. 可重入性：同一个客户端可以多次获取同一把锁
  3. 防死锁：即使客户端崩溃，锁也应该在一定时间后自动释放
  4. 高可用：分布式锁服务不应成为系统的单点故障
  5. 性能：锁操作应该具备高性能、低延迟的特性

2. Redisson 简介

2.1 什么是 Redisson

Redisson 是一个在 Redis 基础上实现的 Java 驻内存数据网格（In-Memory Data Grid）。它提供了分布式和可扩展的 Java 数据结构，包括分布式锁、分布式集合、分布式对象等功能。

2.2 Redisson 与 Jedis、Lettuce 对比

  • Jedis：Redis 的 Java 客户端，提供了 Redis 命令的基本封装，API 简单直观，但功能相对基础
  • Lettuce：高级 Redis 客户端，基于 Netty，支持异步操作，性能优于 Jedis
  • Redisson：不仅提供了 Redis 客户端功能，还提供了分布式锁、分布式集合等更高级的分布式特性，对分布式开发更加友好

2.3 Redisson 的主要功能

  • 分布式锁和同步器：分布式锁、读写锁、信号量、闭锁等
  • 分布式集合：Map、Set、List 等数据结构的分布式实现
  • 分布式服务：远程服务、实时对象服务等
  • 分布式执行服务：分布式执行服务、调度任务服务等

3. Redisson 分布式锁的实现原理

3.1 基于 Redis 的锁实现

Redisson 的分布式锁基于 Redis 的EVAL命令（执行 Lua 脚本）实现。它使用了一个 Redis 键值对来表示锁，键是锁的名称，值包含锁的持有者信息和过期时间。

基本流程：

  1. 获取锁：通过 Lua 脚本尝试在 Redis 中设置一个键值对，如果键不存在则获取成功
  2. 锁的持有：为该键设置过期时间（避免死锁）
  3. 锁的释放：通过执行 Lua 脚本删除对应的键
  4. 锁的续期：通过看门狗机制延长锁的过期时间

3.2 锁的实现方案

Redisson 提供了多种锁的实现方案：

  1. 普通可重入锁（RLock）：最基本的分布式锁实现，支持可重入
  2. 公平锁（RFairLock）：按照请求顺序获取锁
  3. 读写锁（RReadWriteLock）：读锁共享，写锁独占
  4. 多重锁（RedissonMultiLock）：可以组合多个锁为一个锁
  5. 红锁（RedissonRedLock）：基于 Redis 集群的高可靠性锁实现，可以抵御部分节点故障

3.3 锁的获取和释放流程

锁的获取：

-- KEYS[1]是锁的key，ARGV[1]是线程标识，ARGV[2]是过期时间
if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) or (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 1) then
    redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[1], 1);
    redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]);
    return nil;
end;
return redis.call('pttl', KEYS[1]);

锁的释放：

-- KEYS[1]是锁的key，ARGV[1]是线程标识
if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 0) then
    return nil;
end;
local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[1], -1);
if (counter > 0) then
    return 0;
else
    redis.call('del', KEYS[1]);
    return 1;
end;

4. Redisson 分布式锁的使用

4.1 Maven 依赖配置

<dependency>
    <groupId>org.redisson</groupId>
    <artifactId>redisson</artifactId>
    <version>3.23.3</version>
</dependency>

4.2 基本配置

@Configuration
public class RedissonConfig {

    @Value("${spring.data.redis.host}")
    private String host;

    @Value("${spring.data.redis.port}")
    private int port;

    @Value("${spring.data.redis.password}")
    private String password;

    @Value("${spring.data.redis.database}")
    private int database;

    @Bean
    public RedissonClient redissonClient() {
        Config config = new Config();
        config.useSingleServer()
              .setAddress("redis://" + host + ":" + port)
              .setDatabase(database);
        if (password != null && !password.isEmpty()) {
            config.useSingleServer().setPassword(password);
        }
        return Redisson.create(config);
    }
}

4.3 基本锁的使用

@Service
public class LockService {

    @Resource
    private RedissonClient redissonClient;

    public void doSomething() {
        RLock lock = redissonClient.getLock("myLock");

        try {
            // 尝试获取锁，最多等待100秒，锁有效期为30秒
            boolean isLocked = lock.tryLock(100, 30, TimeUnit.SECONDS);

            if (isLocked) {
                // 业务处理
                System.out.println("执行业务逻辑");
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            // 释放锁
            if (lock.isHeldByCurrentThread()) {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

4.4 不同类型锁的使用

  1. 可重入锁 (RLock)
RLock lock = redissonClient.getLock("myLock");
lock.lock();
try {
    try {
        lock.lock();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
} finally {
    lock.unlock();
}
  1. 公平锁 (RFairLock)
RLock fairLock = redissonClient.getFairLock("myFairLock");
fairLock.lock();
try {
    // 业务处理
} finally {
    fairLock.unlock();
}
  1. 读写锁 (RReadWriteLock)
RReadWriteLock rwLock = redissonClient.getReadWriteLock("myRWLock");

// 读锁（共享）
RLock readLock = rwLock.readLock();
readLock.lock();
try {
    // 读取操作
} finally {
    readLock.unlock();
}

// 写锁（排他）
RLock writeLock = rwLock.writeLock();
writeLock.lock();
try {
    // 写入操作
} finally {
    writeLock.unlock();
}
  1. 多重锁 (RedissonMultiLock)
RLock lock1 = redissonClient.getLock("lock1");
RLock lock2 = redissonClient.getLock("lock2");
RLock lock3 = redissonClient.getLock("lock3");

// 组合多个锁
RedissonMultiLock multiLock = new RedissonMultiLock(lock1, lock2, lock3);
multiLock.lock();
try {
    // 业务处理
} finally {
    multiLock.unlock();
}

5. 看门狗机制详解

5.1 什么是看门狗机制

看门狗（Watchdog）机制是 Redisson 为分布式锁提供的一种自动续期功能。它能够在客户端持有锁期间，自动延长锁的有效期，防止因为执行时间过长导致锁过期被其他客户端获取，从而破坏互斥性。

5.2 看门狗的工作原理

  1. 当客户端调用lock()方法获取锁时（不设置过期时间），Redisson 会默认设置一个 30 秒的锁有效期
  2. 同时，它会启动一个定时任务，默认每 10 秒检查一次（锁有效期的 1/3 时间）
  3. 如果客户端仍然持有锁，定时任务会自动刷新锁的有效期为 30 秒
  4. 这个过程会一直持续，直到客户端主动释放锁，或者客户端崩溃（此时看门狗停止工作，锁会在 30 秒后自动释放）

5.3 看门狗的关键源码分析

Redisson 中看门狗的核心实现在RedissonLock.java类中：

// 锁的自动续期逻辑
private void scheduleExpirationRenewal(long threadId) {
    ExpirationEntry entry = new ExpirationEntry();
    ExpirationEntry oldEntry = EXPIRATION_RENEWAL_MAP.putIfAbsent(getEntryName(), entry);
    if (oldEntry != null) {
        oldEntry.addThreadId(threadId);
    } else {
        entry.addThreadId(threadId);
        renewExpiration();
    }
}

// 续期定时任务
private void renewExpiration() {
    Timeout task = commandExecutor.getConnectionManager().newTimeout(new TimerTask() {
        @Override
        public void run(Timeout timeout) throws Exception {
            // 续期逻辑
            // ...
            // 每internalLockLeaseTime/3时间后，重新检查并续期
            commandExecutor.getConnectionManager().newTimeout(this,
                internalLockLeaseTime / 3, TimeUnit.MILLISECONDS);
        }
    }, internalLockLeaseTime / 3, TimeUnit.MILLISECONDS);
}

5.4 看门狗机制的启用和关闭

启用看门狗机制（默认）：

// 不指定过期时间，默认启用看门狗机制
lock.lock();

禁用看门狗机制：

// 明确指定过期时间，看门狗机制将被禁用
lock.lock(10, 30, TimeUnit.SECONDS);

5.5 看门狗配置参数

可以通过配置修改看门狗的默认行为：

// 设置锁的默认过期时间（看门狗续期间隔为该值的1/3）
Config config = new Config();
config.setLockWatchdogTimeout(30000); // 30秒
RedissonClient redisson = Redisson.create(config);

6. 分布式锁的最佳实践

6.1 合理使用看门狗机制

  • 对于执行时间不确定的任务，推荐使用看门狗机制
  • 对于执行时间确定且较短的任务，可以明确设置过期时间，关闭看门狗

6.2 锁的粒度选择

  • 尽量降低锁的粒度，例如对特定对象加锁，而不是整个方法
  • 使用不同的锁名称来区分不同的业务操作

6.3 锁的释放保证

  • 始终在 finally 块中释放锁
  • 释放前检查当前线程是否持有锁（isHeldByCurrentThread）
try {
    // 业务逻辑
} finally {
    if (lock.isHeldByCurrentThread()) {
        lock.unlock();
    }
}

6.4 处理锁的获取失败

  • 设置合理的等待时间
  • 实现重试机制
  • 提供降级策略
int retryCount = 3;
while (retryCount > 0) {
    boolean locked = lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS);
    if (locked) {
        try {
            // 业务逻辑
            return result;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    retryCount--;
    Thread.sleep(1000);
}
// 降级处理
return fallbackMethod();

7. Redisson 分布式锁与其他实现的对比

7.1 与 Redis 原生命令实现对比

Redis 原生命令（SETNX + EXPIRE）：

  • 优点：实现简单，不依赖额外库
  • 缺点：原子性保证困难，无法解决锁过期问题，不支持可重入

Redisson：

  • 优点：实现了可重入、自动续期、公平锁等高级特性
  • 缺点：额外的依赖，有一定的学习成本

7.2 与 Zookeeper 实现对比

Zookeeper：

  • 优点：强一致性保证，临时节点机制自动释放，有序性支持
  • 缺点：性能较低，适合高可靠低频操作

Redisson：

  • 优点：性能高，功能丰富，适合高频操作
  • 缺点：在某些极端情况下一致性不如 Zookeeper

7.3 各种实现的适用场景

  • Redisson：适合高性能场景，对一致性要求不是极高但要求低延迟
  • Zookeeper：适合高可靠性场景，对性能要求不高但要求强一致性
  • 数据库锁：适合与数据操作紧密结合的场景
  • etcd：适合对可靠性和一致性都有较高要求的中等性能场景

8. 常见问题及解决方案

8.1 锁的误删除问题

问题：一个客户端释放了其他客户端持有的锁

解决方案：

  • Redisson 通过锁值内存储线程标识，保证只有持有锁的线程才能释放
  • 释放时通过isHeldByCurrentThread()方法检查

8.2 锁的过期问题

问题：业务执行时间超过锁的有效期

解决方案：

  • 使用看门狗机制自动续期
  • 合理评估业务执行时间，设置足够的锁有效期

8.3 缓存崩溃和恢复

问题：Redis 服务器故障或重启

解决方案：

  • 使用 Redis 集群提高可用性
  • 在关键业务使用 RedissonRedLock（红锁）
  • 实现业务补偿机制

8.4 性能优化

  • 减小锁粒度
  • 适当设置锁等待超时时间
  • 避免长时间持有锁
  • 使用读写锁分离读写操作

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