一文带你剖析Redisson分布式锁的原理

相信使用过redis的，或者正在做分布式开发的童鞋都知道redisson组件，它的功能很多，但我们使用最频繁的应该还是它的分布式锁功能，少量的代码，却实现了加锁、锁续命(看门狗)、锁订阅、解锁、锁等待（自旋）等功能，我们来看看都是如何实现的。

加锁

//获取锁对象
RLock redissonLock = redisson.getLock(lockKey);
//加分布式锁
redissonLock.lock();

根据redissonLock.lock()方法跟踪到具体的private <T> RFuture<Long> tryAcquireAsync(long leaseTime, TimeUnit unit, final long threadId)方法，真正获取加锁的逻辑是在tryAcquireAsync该方法中调用的tryLockInnerAsync()方法，看看这个方法是怎么实现的？

<T> RFuture<T> tryLockInnerAsync(long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId, RedisStrictCommand<T> command) {
  internalLockLeaseTime = unit.toMillis(leaseTime);

  return commandExecutor.evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, command,
             // 判断是否存在分布式锁，getName()也就是KEYS[1]，也就是锁key名                     
            "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then " +
             // 加锁，执行hset 锁key名 1                           
                "redis.call('hset', KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
             // 设置过期时间                           
                "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +
                "return nil; " +
            "end; " +
             // 这个分支是redisson的重入锁逻辑，锁还在，锁计数+1，重新设置过期时长                 
            "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; " +
            // 返回锁的剩余过期时长                            
            "return redis.call('pttl', KEYS[1]);",
              Collections.<Object>singletonList(getName()), internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));
}

发现底层是结合lua脚本实现了加锁逻辑。

为什么底层结合了Lua脚本？Redis是在2.6推出了脚本功能，允许开发者使用Lua语言编写脚本传到redis执行。使用脚本的好处如下：

1、减少网络开销：本来5次网络请求的操作，可以用一个请求完成，原先5次请求的逻辑，可以一次性放到redis中执行，较少了网络往返时延。这点跟管道有点类似。

2、原子操作：Redis会将整个脚本作为一个整体执行，中间不会被其他命令插入。管道不是原子的，不过
redis的批量操作命令(类似mset)是原子的。

也就意味着虽然脚本中有多条redis指令，那即使有多条线程并发执行，在同一时刻也只有一个线程能够执行这段逻辑，等这段逻辑执行完，分布式锁也就获取到了，其它线程再进来就获取不到分布式锁了。

锁续命（自旋）

大家都听过锁续命，肯定也知道这里涉及到看门狗的概念。在调用tryLockInnerAsync()方法时，第一个参数是commandExecutor.getConnectionManager().getCfg().getLockWatchdogTimeout()也就是默认的看门狗过期时间是private long lockWatchdogTimeout = 30 * 1000毫秒。

private <T> RFuture<Long> tryAcquireAsync(long leaseTime, TimeUnit unit, final long threadId) {
  if (leaseTime != -1) {
      return tryLockInnerAsync(leaseTime, unit, threadId, RedisCommands.EVAL_LONG);
  }
  RFuture<Long> ttlRemainingFuture = tryLockInnerAsync(commandExecutor.getConnectionManager().getCfg().getLockWatchdogTimeout(), TimeUnit.MILLISECONDS, threadId, RedisCommands.EVAL_LONG);
  // 添加监听器，判断获取锁是否成功，成功的话，添加定时任务：定期更新锁过期时间
  ttlRemainingFuture.addListener(new FutureListener<Long>() {
      @Override
      public void operationComplete(Future<Long> future) throws Exception {
          if (!future.isSuccess()) {
              return;
          }
          // 根据tryLockInnerAsync方法，加锁成功，return nil 也就是null
          Long ttlRemaining = future.getNow();
          // lock acquired
          if (ttlRemaining == null) {
              // 添加定时任务：定期更新锁过期时间
              scheduleExpirationRenewal(threadId);
          }
      }
  });
  return ttlRemainingFuture;
}

当线程获取到锁后，会进入if (ttlRemaining == null)分支，调用定期更新锁过期时间scheduleExpirationRenewal方法，我们看看该方法实现：

private void scheduleExpirationRenewal(final long threadId) {
  if (expirationRenewalMap.containsKey(getEntryName())) {
      return;
  }

  Timeout task = commandExecutor.getConnectionManager().newTimeout(new TimerTask() {
      @Override
      public void run(Timeout timeout) throws Exception {
          
          RFuture<Boolean> future = commandExecutor.evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, RedisCommands.EVAL_BOOLEAN,
                  // 检测KEYS[1]锁是否还在，在的话再次设置过期时间                               
                  "if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then " +
                      "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +
                      "return 1; " +
                  "end; " +
                  "return 0;",
                    Collections.<Object>singletonList(getName()), internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));
          
          future.addListener(new FutureListener<Boolean>() {
              @Override
              public void operationComplete(Future<Boolean> future) throws Exception {
                  expirationRenewalMap.remove(getEntryName());
                  if (!future.isSuccess()) {
                      log.error("Can't update lock " + getName() + " expiration", future.cause());
                      return;
                  }
                  // 通过上面lua脚本执行后会返回1，也就true，再次调用更新过期时间进行续期
                  if (future.getNow()) {
                      // reschedule itself
                      scheduleExpirationRenewal(threadId);
                  }
              }
          });
      }
      // 延迟 internalLockLeaseTime / 3再执行续命
  }, internalLockLeaseTime / 3, TimeUnit.MILLISECONDS);

  if (expirationRenewalMap.putIfAbsent(getEntryName(), task) != null) {
      task.cancel();
  }
}

发现scheduleExpirationRenewal方法只是用了Timeout作为任务，并没有使用java的Timer()之类的定时器，而是在Timeout任务run()方法中定义了RFuture对象，通过给RFuture对象设置listener，在listener中通过Lua脚本执行结果进行判断是否还需要进行续期。通过这样的方式来给分布式锁进行续期。

这种方式实现定时更新确实很巧妙，定期时间很灵活。

锁订阅及锁等待

锁订阅是针对那些没有获取到分布式锁的线程而言的。来看看整个获取锁的方法：

public void lockInterruptibly(long leaseTime, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
      long threadId = Thread.currentThread().getId();
      Long ttl = tryAcquire(leaseTime, unit, threadId);
      // lock acquired,获取到锁，直接退出
      if (ttl == null) {
          return;
      }
		// 没有获取到锁，进行订阅
      RFuture<RedissonLockEntry> future = subscribe(threadId);
      commandExecutor.syncSubscription(future);

      try {
          while (true) {
              ttl = tryAcquire(leaseTime, unit, threadId);
              // lock acquired
              if (ttl == null) {
                  break;
              }

              // waiting for message
              if (ttl >= 0) {
                  getEntry(threadId).getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);
              } else {
                  getEntry(threadId).getLatch().acquire();
              }
          }
      } finally {
          unsubscribe(future, threadId);
      }
//        get(lockAsync(leaseTime, unit));
  }

当第一个线程获取到锁后，会在if (ttl == null)分支进行返回，第二个及以后的线程进来在没获取到锁时，只能接着走下面的逻辑，进行锁的订阅。

接着进入到一个while循环，首先还是会进行一次尝试获取锁（万一此时第一个线程已经释放锁了呢），通过tryAcquire(leaseTime, unit, threadId)方法，如果没有获取到锁的话，会返回锁的剩余过期时间，如果剩余过期时间大于0，则当前线程通过Semaphore信号号，将当前线程阻塞，底层执行LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout)线程挂起剩余过期时间后，会自动进行唤醒，再次执行tryAcquire尝试获取锁。所有没有获取到锁的线程都会执行这个流程。

一定要等待剩余过期时间后才唤醒吗？

假设线程一获取到锁，过期时间默认为30s,当前执行业务逻辑已经过了5s,那其他线程走到这里，则需要等待25s后才行进行唤醒，那万一线程一执行业务逻辑只要10s，那其他线程还需要等待20s吗？这样岂不是导致效率很低？

答案是否定的，详细看解锁逻辑。

解锁

解锁：redissonLock.unlock();

我们来看看具体的解锁逻辑:

protected RFuture<Boolean> unlockInnerAsync(long threadId) {
  return commandExecutor.evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, RedisCommands.EVAL_BOOLEAN,
          // 锁不存在，发布unlockMessage解锁消息，通知其他等待线程                              
          "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then " +
              "redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); " +
              "return 1; " +
          "end;" +
          // 不存在该锁，异常捕捉                              
          "if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[3]) == 0) then " +
              "return nil;" +
          "end; " +
          // redisson可重入锁计数-1，依旧>0，则重新设置过期时间                              
          "local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[3], -1); " +
          "if (counter > 0) then " +
              "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]); " +
              "return 0; " +
          // redis删除锁，发布unlockMessage解锁消息，通知其他等待线程                         
          "else " +
              "redis.call('del', KEYS[1]); " +
              "redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); " +
              "return 1; "+
          "end; " +
          "return nil;",
          Arrays.<Object>asList(getName(), getChannelName()), LockPubSub.unlockMessage, internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));

}

发现解锁逻辑底层也是用了一个lua脚本实现。具体的说明可以看代码注释，删除锁后，并发布解锁消息，通知到其它线程，也就意味着不会其它等待的线程一直等待。

Semophore信号量的订阅中有个onMessage方法，

protected void onMessage(RedissonLockEntry value, Long message) {
  // 唤醒线程
  value.getLatch().release(message.intValue());
  
  while (true) {
      Runnable runnableToExecute = null;
      synchronized (value) {
          Runnable runnable = value.getListeners().poll();
          if (runnable != null) {
              if (value.getLatch().tryAcquire()) {
                  runnableToExecute = runnable;
              } else {
                  value.addListener(runnable);
              }
          }
      }
      
      if (runnableToExecute != null) {
          runnableToExecute.run();
      } else {
          return;
      }
  }
}

解锁后通过if (opStatus)分支取消锁续期逻辑。

总结

总的来说，可以借助一张图加深理解：

分布式锁的整体实现很巧妙，借助lua脚本的原子性，实现了很多功能，当然redisson还有其它很多功能，比如为了解决主从集群中的异步复制会导致锁丢失问题，引入了redlock机制，还有分布式下的可重入锁等。

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