SpringBoot中使用注解来实现 Redis 分布式锁

Java SpringBoot Redis

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）】

/**
 * 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);
}

三、设计方案

经过上面的分析，设计出了这个方案：

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、实际操作

  相关属性类配置

  业务属性枚举设定

  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);
    }
  }

  任务队列保存参数

  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;
    }
  }

  设定被拦截的注解名字

  @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;
  }

  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

  /**
  * @annotation 中的路径表示拦截特定注解
  */
  @Pointcut("@annotation(cn.sevenyuan.demo.aop.lock.RedisLockAnnotation)")
  public void redisLockPC() {
  }

  Around 前后进行加锁和释放锁

  前面步骤定义了要拦截的切点，下一步就是在切点前后做一些自定义操作：

  @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;
  }

  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：

  // 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);
  }

  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。

  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

  @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;
  }

  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：

  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]

  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，将会发现以下错误信息：
  
  表示锁🔐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