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Redis实现的分布式锁和分布式限流

黄青石 2019-01-19 10:14:00 阅读数:181 评论数:0 点赞数:0 收藏数:0

随着现在分布式越来越普遍,分布式锁也十分常用,我的上一篇文章解释了使用zookeeper实现分布式锁(传送门),本次咱们说一下如何用Redis实现分布式锁和分布限流。

Redis有个事务锁,就是如下的命令,这个命令的含义是将一个value设置到一个key中,如果不存在将会赋值并且设置超时时间为30秒,如何这个key已经存在了,则不进行设置。

SET key value NX PX 30000

这个事务锁很好的解决了两个单独的命令,一个设置set key value nx,即该key不存在的话将对其进行设置,另一个是expire key seconds,设置该key的超时时间。我们可以想一下,如果这两个命令用程序单独使用会存在什么问题:

1. 如果一个set key的命令设置了key,然后程序异常了,expire时间没有设置,那么这个key会一直锁住。

2. 如果一个set key时出现了异常,但是直接执行了expire,过了一会儿之后另一个进行set key,还没怎么执行代码,结果key过期了,别的线程也进入了锁。

还有很多出问题的可能点,这里我们就不讨论了,下面咱们来看看如何实现吧。本文使用的Spring Boot 2.x + Spring data redis + Swagger +lombok + AOP + lua脚本。在实现的过程中遇到了很多问题,都一一解决实现了。依赖的POM文件如下:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
<modelVersion>4.0.0</modelVersion>
<parent>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
<version>2.1.2.RELEASE</version>
<relativePath/> <!-- lookup parent from repository -->
</parent>
<groupId>com.hqs</groupId>
<artifactId>distributedlock</artifactId>
<version>0.0.1-SNAPSHOT</version>
<name>distributedlock</name>
<description>Demo project for Spring Boot</description>
<properties>
<java.version>1.8</java.version>
</properties>
<dependencies>
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-aop</artifactId>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-devtools</artifactId>
<scope>runtime</scope>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.projectlombok</groupId>
<artifactId>lombok</artifactId>
<optional>true</optional>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
<scope>test</scope>
</dependency>
<dependency>
<groupId>io.springfox</groupId>
<artifactId>springfox-swagger-ui</artifactId>
<version>2.9.2</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>io.springfox</groupId>
<artifactId>springfox-swagger2</artifactId>
<version>2.9.2</version>
<scope>compile</scope>
</dependency>
<dependency>
<groupId>redis.clients</groupId>
<artifactId>jedis</artifactId>
<version>2.9.0</version>
</dependency>
</dependencies>
<build>
<plugins>
<plugin>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
</plugin>
</plugins>
</build>
</project>

使用了两个lua脚本,一个用于执行lock,另一个执行unlock。咱们简单看一下,lock脚本就是采用Redis事务执行的set nx px命令,其实还有set nx ex命令,这个ex命令是采用秒的方式进行设置过期时间,这个px是采用毫秒的方式设置过期时间。value需要使用一个唯一的值,这个值在解锁的时候需要判断是否一致,如果一致的话就进行解锁。这个也是官方推荐的方法。另外在lock的地方我设置了一个result,用于输出测试时的结果,这样就可以结合程序去进行debug了。

local expire = tonumber(ARGV[2])
local ret = redis.call('set', KEYS[1], ARGV[1], 'NX', 'PX', expire)
local strret = tostring(ret)
--用于查看结果,我本机获取锁成功后程序返回随机结果"table: 0x7fb4b3700fe0",否则返回"false"
redis.call('set', 'result', strret)
if strret == 'false' then
return false
else
return true
end
redis.call('del', 'result')
if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then
return redis.call('del', KEYS[1])
else
return 0
end

来看下代码,主要写了两个方法,一个是用与锁另外一个是用于结解锁。这块需要注意的是使用RedisTemplate<String, String>,这块意味着key和value一定都是String的,我在使用的过程中就出现了一些错误。首先初始化两个脚本到程序中,然后调用执行脚本。

package com.hqs.distributedlock.lock;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.data.redis.core.RedisTemplate;
import org.springframework.data.redis.core.script.RedisScript;
import org.springframework.stereotype.Component;
import java.util.Collections;
@Slf4j
@Component
public class DistributedLock {
//注意RedisTemplate用的String,String,后续所有用到的key和value都是String的
 @Autowired
private RedisTemplate<String, String> redisTemplate;
@Autowired
RedisScript<Boolean> lockScript;
@Autowired
RedisScript<Long> unlockScript;
public Boolean distributedLock(String key, String uuid, String secondsToLock) {
Boolean locked = false;
try {
String millSeconds = String.valueOf(Integer.parseInt(secondsToLock) * 1000);
locked =redisTemplate.execute(lockScript, Collections.singletonList(key), uuid, millSeconds);
log.info("distributedLock.key{}: - uuid:{}: - timeToLock:{} - locked:{} - millSeconds:{}",
key, uuid, secondsToLock, locked, millSeconds);
} catch (Exception e) {
log.error("error", e);
}
return locked;
}
public void distributedUnlock(String key, String uuid) {
Long unlocked = redisTemplate.execute(unlockScript, Collections.singletonList(key),
uuid);
log.info("distributedLock.key{}: - uuid:{}: - unlocked:{}", key, uuid, unlocked);
}
}

还有一个就是脚本定义的地方需要注意,返回的结果集一定是Long, Boolean,List, 一个反序列化的值。这块要注意。

package com.hqs.distributedlock.config;
import com.sun.org.apache.xpath.internal.operations.Bool;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Qualifier;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.core.io.ClassPathResource;
import org.springframework.data.redis.core.script.DefaultRedisScript;
import org.springframework.data.redis.core.script.RedisScript;
import org.springframework.scripting.ScriptSource;
import org.springframework.scripting.support.ResourceScriptSource;
@Configuration
@Slf4j
public class BeanConfiguration {
/**
* The script resultType should be one of
* Long, Boolean, List, or a deserialized value type. It can also be null if the script returns
* a throw-away status (specifically, OK).
* @return
*/
@Bean
public RedisScript<Long> limitScript() {
RedisScript redisScript = null;
try {
ScriptSource scriptSource = new ResourceScriptSource(new ClassPathResource("/scripts/limit.lua"));
// log.info("script:{}", scriptSource.getScriptAsString());
redisScript = RedisScript.of(scriptSource.getScriptAsString(), Long.class);
} catch (Exception e) {
log.error("error", e);
}
return redisScript;
}
@Bean
public RedisScript<Boolean> lockScript() {
RedisScript<Boolean> redisScript = null;
try {
ScriptSource scriptSource = new ResourceScriptSource(new ClassPathResource("/scripts/lock.lua"));
redisScript = RedisScript.of(scriptSource.getScriptAsString(), Boolean.class);
} catch (Exception e) {
log.error("error" , e);
}
return redisScript;
}
@Bean
public RedisScript<Long> unlockScript() {
RedisScript<Long> redisScript = null;
try {
ScriptSource scriptSource = new ResourceScriptSource(new ClassPathResource("/scripts/unlock.lua"));
redisScript = RedisScript.of(scriptSource.getScriptAsString(), Long.class);
} catch (Exception e) {
log.error("error" , e);
}
return redisScript;
}
@Bean
public RedisScript<Long> limitAnother() {
DefaultRedisScript<Long> redisScript = new DefaultRedisScript<>();
redisScript.setScriptSource(new ResourceScriptSource(new ClassPathResource("/scripts/limit.lua")));
redisScript.setResultType(Long.class);
return redisScript;
}
}

好了,这块就写好了,然后写好controller类准备测试。

 @PostMapping("/distributedLock")
@ResponseBody
public String distributedLock(String key, String uuid, String secondsToLock, String userId) throws Exception{
// String uuid = UUID.randomUUID().toString();
Boolean locked = false;
try {
locked = lock.distributedLock(key, uuid, secondsToLock);
if(locked) {
log.info("userId:{} is locked - uuid:{}", userId, uuid);
log.info("do business logic");
TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(3000);
} else {
log.info("userId:{} is not locked - uuid:{}", userId, uuid);
}
} catch (Exception e) {
log.error("error", e);
} finally {
if(locked) {
lock.distributedUnlock(key, uuid);
}
}
return "ok";
}

我也写了一个测试类,用于测试和输出结果, 使用100个线程,然后锁的时间设置10秒,controller里边需要休眠3秒模拟业务执行。

 @Test
public void distrubtedLock() {
String url = "http://localhost:8080/distributedLock";
String uuid = "abcdefg";
// log.info("uuid:{}", uuid);
String key = "redisLock";
String secondsToLive = "10";
for(int i = 0; i < 100; i++) {
final int userId = i;
new Thread(() -> {
MultiValueMap<String, String> params = new LinkedMultiValueMap<>();
params.add("uuid", uuid);
params.add("key", key);
params.add("secondsToLock", secondsToLive);
params.add("userId", String.valueOf(userId));
String result = testRestTemplate.postForObject(url, params, String.class);
System.out.println("-------------" + result);
}
).start();
}
}

获取锁的地方就会执行do business logic, 然后会有部分线程获取到锁并执行业务,执行完业务的就会释放锁。

分布式锁就实现好了,接下来实现分布式限流。先看一下limit的lua脚本,需要给脚本传两个值,一个值是限流的key,一个值是限流的数量。获取当前key,然后判断其值是否为nil,如果为nil的话需要赋值为0,然后进行加1并且和limit进行比对,如果大于limt即返回0,说明限流了,如果小于limit则需要使用Redis的INCRBY key 1,就是将key进行加1命令。并且设置超时时间,超时时间是秒,并且如果有需要的话这个秒也是可以用参数进行设置。

--lua 下标从 1 开始
-- 限流 key
local key = KEYS[1]
-- 限流大小
local limit = tonumber(ARGV[1])
-- 获取当前流量大小
local curentLimit = tonumber(redis.call('get', key) or "0")
if curentLimit + 1 > limit then
-- 达到限流大小 返回
return 0;
else
-- 没有达到阈值 value + 1
redis.call("INCRBY", key, 1)
-- EXPIRE后边的单位是秒
redis.call("EXPIRE", key, 10)
return curentLimit + 1
end

执行limit的脚本和执行lock的脚本类似。

package com.hqs.distributedlock.limit;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.data.redis.core.RedisTemplate;
import org.springframework.data.redis.core.script.RedisScript;
import org.springframework.stereotype.Component;
import java.util.Collections;
/**
* @author huangqingshi
* @Date 2019-01-17
*/
@Slf4j
@Component
public class DistributedLimit {
//注意RedisTemplate用的String,String,后续所有用到的key和value都是String的
 @Autowired
private RedisTemplate<String, String> redisTemplate;
@Autowired
RedisScript<Long> limitScript;
public Boolean distributedLimit(String key, String limit) {
Long id = 0L;
try {
id = redisTemplate.execute(limitScript, Collections.singletonList(key),
limit);
log.info("id:{}", id);
} catch (Exception e) {
log.error("error", e);
}
if(id == 0L) {
return false;
} else {
return true;
}
}
}

接下来咱们写一个限流注解,并且设置注解的key和限流的大小:

package com.hqs.distributedlock.annotation;
import java.lang.annotation.ElementType;
import java.lang.annotation.Retention;
import java.lang.annotation.RetentionPolicy;
import java.lang.annotation.Target;
/**
* 自定义limit注解
* @author huangqingshi
* @Date 2019-01-17
*/
@Target(ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface DistriLimitAnno {
public String limitKey() default "limit";
public int limit() default 1;
}

然后对注解进行切面,在切面中判断是否超过limit,如果超过limit的时候就需要抛出异常exceeded limit,否则正常执行。

package com.hqs.distributedlock.aspect;
import com.hqs.distributedlock.annotation.DistriLimitAnno;
import com.hqs.distributedlock.limit.DistributedLimit;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.aspectj.lang.JoinPoint;
import org.aspectj.lang.annotation.Aspect;
import org.aspectj.lang.annotation.Before;
import org.aspectj.lang.annotation.Pointcut;
import org.aspectj.lang.reflect.MethodSignature;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.context.annotation.EnableAspectJAutoProxy;
import org.springframework.stereotype.Component;
import java.lang.reflect.Method;
/**
* @author huangqingshi
* @Date 2019-01-17
*/
@Slf4j
@Aspect
@Component
@EnableAspectJAutoProxy(proxyTargetClass = true)
public class LimitAspect {
@Autowired
DistributedLimit distributedLimit;
@Pointcut("@annotation(com.hqs.distributedlock.annotation.DistriLimitAnno)")
public void limit() {};
@Before("limit()")
public void beforeLimit(JoinPoint joinPoint) throws Exception {
MethodSignature signature = (MethodSignature) joinPoint.getSignature();
Method method = signature.getMethod();
DistriLimitAnno distriLimitAnno = method.getAnnotation(DistriLimitAnno.class);
String key = distriLimitAnno.limitKey();
int limit = distriLimitAnno.limit();
Boolean exceededLimit = distributedLimit.distributedLimit(key, String.valueOf(limit));
if(!exceededLimit) {
throw new RuntimeException("exceeded limit");
}
}
}

因为有抛出异常,这里我弄了一个统一的controller错误处理,如果controller出现Exception的时候都需要走这块异常。如果是正常的RunTimeException的时候获取一下,否则将异常获取一下并且输出。

package com.hqs.distributedlock.util;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.http.HttpStatus;
import org.springframework.web.bind.annotation.ControllerAdvice;
import org.springframework.web.bind.annotation.ExceptionHandler;
import org.springframework.web.bind.annotation.ResponseBody;
import org.springframework.web.bind.annotation.ResponseStatus;
import org.springframework.web.context.request.NativeWebRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
/**
* @author huangqingshi
* @Date 2019-01-17
* 统一的controller错误处理
*/
@Slf4j
@ControllerAdvice
public class UnifiedErrorHandler {
private static Map<String, String> res = new HashMap<>(2);
@ExceptionHandler(value = Exception.class)
@ResponseStatus(HttpStatus.OK)
@ResponseBody
public Object processException(HttpServletRequest req, Exception e) {
res.put("url", req.getRequestURL().toString());
if(e instanceof RuntimeException) {
res.put("mess", e.getMessage());
} else {
res.put("mess", "sorry error happens");
}
return res;
}
}

好了,接下来将注解写到自定义的controller上,limit的大小为10,也就是10秒钟内限制10次访问。

@PostMapping("/distributedLimit")
@ResponseBody
@DistriLimitAnno(limitKey="limit", limit = 10)
public String distributedLimit(String userId) {
log.info(userId);
return "ok";
}

也是来一段Test方法来跑,老方式100个线程开始跑,只有10次,其他的都是limit。没有问题。

总结一下,这次实现采用了使用lua脚本和Redis实现了锁和限流,但是真实使用的时候还需要多测试,另外如果此次Redis也是采用的单机实现方法,使用集群的时候可能需要改造一下。关于锁这块其实Reids他们自己也实现了RedLock, java实现的版本Redission。也有很多公司使用了,功能非常强大。各种场景下都用到了。

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