对Redis锁延期的一些讨论与思考

上一篇文章提到使用针对不同的业务场景如何合理使用Redis分布式锁，并引入了一个新的问题

若定义锁的过期时间是10s，此时A线程获取了锁然后执行业务代码，但是业务代码消耗时间花费了15s。这就会导致A线程还没有执行完业务代码，A线程却释放了锁（因为10s到了），第11s B线程发现锁已经释放，重新获取锁也开始执行业务代码。
此时多个线程同时执行业务代码，我们使用锁就是为了保证仅有一个线程执行这一块业务代码，说明这个锁是失效的！

本文将尝试探讨如何处理这个问题！

在这里插入图片描述

下面这个图解释了重置超时时间是什么意思，写一个定时任务，并单独使用一个线程每3s去检查一下是否到终点（任务是否执行完毕），第3s时发现没到终点，重置时间。假设任务执行完毕需要花费11s。那么锁一共会延期3次，第11s之后，锁被手动释放，如果没释放。等到第19s时，会被自动释放。
在这里插入图片描述
如何实现锁的延期

伪代码：

定义锁的结构
key：uuid
value：订单服务

if key（锁的唯一标识）是否存在
	存在，if 锁是否被修改
		未修改，重置超时时间

这部分有一点需要解释：

为什么判断锁是否被修改？
A线程获取了锁之后，B线程修改锁的value为 “文件下载服务”，不加一层校验，A线程就会对修改后的锁操作，而不是原始的锁。

此时你会直接写一个定时任务去实现，会有什么问题吗？
锁延期分为2步（第一步：判断锁；第二步：重置锁），这2步之间是存在间隙的，完全可以在判断锁后，重置锁前发生一些事情（例如恰巧在重置时间前锁被其他线程修改了）。如何才能避免这个间隙不发生意外？

使用lua脚本：使用lua语法实现锁的延期，然后执行这个脚本。lua语法将这两个步骤绑定成一个操作。这也就是为什么提到锁延期的实现，基本都是采用lua实现的根本原因。redis分布式锁自身是有局限性的，不能满足我们的需求，所以我们提出了锁延期。

巧在Redis很支持lua语法，我们只需要按照lua语法要求写好命令，调用Redis提供的方法入口传进去，Redis会自动解析这些命令。更巧在lua语法实现锁延期解决了上面的隐患。。。

        /**
         * 锁续期
         */
        if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 1) then // 锁还存在
              if (redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1]) then 
                   redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]) ");// 重置超时时间
                       return 1
              end
        end
        return 0

接下来完整的看一下如何使用Redis锁延期


/**
 * redis分布式锁
 * 为了文件拉取加的，可能存在拉取任务耗时很久的情况，增加锁延时操作
 * @author lixinyu
 */
public class RedisDistributeLock {
    private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(RedisDistributeLock.class);

    // 默认30秒后自动释放锁
    private static long defaultExpireTime = 10 * 60 * 1000; // 默认10分钟

    // 用于锁延时任务的执行
    private static ScheduledThreadPoolExecutor renewExpirationExecutor;

    // 加锁和解锁的lua脚本 重入和不可重入两种
    private static String lockScript;
    private static String unlockScript;
    private static String renewScript;// 锁延时脚本
    private static String lockScript_reentrant;
    private static String unlockScript_reentrant;
    private static String renewScript_reentrant;// 锁延时脚本

    static {
        /**
         * 如果指定的锁键(KEYS[1])不存在，则通过set命令设置锁的值(ARGV[1])和超时时间(ARGV[2])。
         * 如果锁键已存在，则通过pttl命令返回锁的剩余超时时间。
         */
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.setLength(0);
        sb.append(" if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then ");// 如果不存在这个lockKey锁
        sb.append("     redis.call('set', KEYS[1], ARGV[1]) ");// 设置锁 ，key-value结构
        sb.append("     redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]) ");// 设置锁超时时间
        sb.append("     return nil ");
        sb.append(" end ");
        sb.append(" return redis.call('pttl', KEYS[1]) ");// 如果别的线程已经加锁，返回剩余时间
        lockScript = sb.toString();

        /**
         * 如果锁存在，则删除锁
         */
        sb.setLength(0);
        sb.append(" if (redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1]) then ");
        sb.append("      return redis.call('del', KEYS[1]) ");
        sb.append(" else return 0 ");
        sb.append(" end");
        unlockScript = sb.toString();

        /**
         * 可重入锁主要解决的是同一个线程能够多次获取锁的问题，而不是防止多个线程同时获取锁
         * 这通常发生在方法递归调用、嵌套调用或者同一个方法内部多次执行加锁操作的情况下
         */
        sb.setLength(0);
        sb.append(" if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then ");// 如果不存在这个lockKey锁
        sb.append("     redis.call('hset', KEYS[1], ARGV[1], 1) ");// 设置锁 ，hash结构，hashkey为当前线程id，加锁数为1
        sb.append("     redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]) ");// 设置锁超时时间
        sb.append("     return nil ");
        sb.append(" end ");
        sb.append(" if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 1) then ");// 如果当前线程已经加锁
        sb.append("     redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[1], 1) ");// 可重入，增加锁计数
        sb.append("     redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]) ");// 重设置锁超时时间
        sb.append("     return nil ");
        sb.append(" end ");
        sb.append(" return redis.call('pttl', KEYS[1]) ");// 如果别的线程已经加锁，返回剩余时间
        lockScript_reentrant = sb.toString();

        /**
         * 释放锁，通过判断锁的存在、当前线程是否是加锁的线程、以及锁的计数器等条件来实现解锁的操作
         */
        sb.setLength(0);
        sb.append(" if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then ");// 不存在锁，返回1表示解锁成功
        sb.append("     return 1 ");
        sb.append(" end ");
        sb.append(" if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 0) then ");// 存在锁，不是本人加的，返回0失败
        sb.append("     return 0 ");
        sb.append(" end ");
        sb.append(" local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[1], -1) ");// 存在自己加的锁，锁计数减一
        sb.append(" if (counter > 0) then ");// 判断是否要删除锁，或重置超时时间
        sb.append("     redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]) ");
        sb.append("     return 0 ");
        sb.append(" else ");
        sb.append("     redis.call('del', KEYS[1]) ");
        sb.append("     return 1 ");
        sb.append(" end ");
        sb.append(" return nil ");
        unlockScript_reentrant = sb.toString();

        /**
         * 锁续期
         */
        sb.setLength(0);
        sb.append(" if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 1) then ");// 锁还存在
        sb.append("     if (redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1]) then ");
        sb.append("        redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]) ");// 重置超时时间
        sb.append("        return 1");
        sb.append("     end ");
        sb.append(" end ");
        sb.append(" return 0 ");
        renewScript = sb.toString();

        /**
         * 可重入锁续期
         */
        sb.setLength(0);
        sb.append(" if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 1) then ");// 锁还存在
        sb.append("     redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]) ");// 重置超时时间
        sb.append("     return 1 ");
        sb.append(" end ");
        sb.append(" return 0 ");
        renewScript_reentrant = sb.toString();

        renewExpirationExecutor = new ScheduledThreadPoolExecutor(2);
    }


    private String uuid;// 当前锁对象标识
    private boolean reentrant;// 当前锁是可重入还是不可重入
    private RedisUtils redisUtils;

    public RedisDistributeLock(boolean reentrant) {
        this.uuid = UUIDUtils.randomUUID8();
        this.reentrant = reentrant;
        this.redisUtils = SpringApplicationUtils.getBean(RedisUtils.class);
    }

    /**
     * 尝试对lockKey加锁
     * @author: lixinyu 2023/4/25
     **/
    public boolean tryLock(String lockKey) {
        String script = lockScript;
        if (reentrant) {
            script = lockScript_reentrant;
        }

        Object result = redisUtils.evalScript(script, ReturnType.INTEGER, 1, lockKey, uuid, String.valueOf(defaultExpireTime));
        boolean isSuccess = result == null;
        if (isSuccess) {
            // 若成功，增加延时任务
            scheduleExpirationRenew(lockKey, uuid, reentrant);
        }

        return isSuccess;
    }

    /**
     * 解锁
     * @author: lixinyu 2023/4/25
     **/
    public void unlock(String lockKey){
        if (reentrant) {
            redisUtils.evalScript(unlockScript_reentrant, ReturnType.INTEGER, 1, lockKey, uuid, String.valueOf(defaultExpireTime));
        } else {
            redisUtils.evalScript(unlockScript, ReturnType.INTEGER, 1, lockKey, uuid);
        }
    }

    /**
     * 锁延时，定时任务队列，定时判断一次是否续期
     */
    private void scheduleExpirationRenew(String lockKey, String lockValue, boolean reentrant) {
        Runnable renewTask = new Runnable(){

            @Override
            public void run() {
                try {
                    String script = renewScript;
                    if (reentrant) {
                        script = renewScript_reentrant;
                    }
					// 将lua语法传给redis解析
                    Object result = evalScript(script, ReturnType.INTEGER, 1, lockKey, lockValue, String.valueOf(defaultExpireTime));
                    if (result != null && !result.equals(false) && result.equals(Long.valueOf(1))) {
                        // 延时成功，再定时执行
                        scheduleExpirationRenew(lockKey, lockValue, reentrant);

                        log.info("redis锁【" + lockKey + "】延时成功！");
                    }
                } catch (Exception e) {
                    log.error("scheduleExpirationRenew run异常", e);
                }
            }
        };

        renewExpirationExecutor.schedule(renewTask, defaultExpireTime / 3, TimeUnit.MILLISECONDS);
    }
}

 /**
  *  将lua语法传给redis
  */ 
 public Object evalScript(String script, ReturnType returnType, int numKeys,
                             String... keysAndArgs)
    {
        Object value = false;
        try
        {
            value = redisTemplate.execute((RedisCallback<Object>)conn -> {
                try
                {
                    byte[][] keysAndArgsByte = new byte[keysAndArgs.length][];
                    for (int i = 0; i < keysAndArgs.length; i++ )
                    {
                        keysAndArgsByte[i] = redisTemplate.getStringSerializer().serialize(keysAndArgs[i]);
                    }
                    return conn.eval(redisTemplate.getStringSerializer().serialize(script), returnType, numKeys,
                            keysAndArgsByte);
                }
                catch (SerializationException e)
                {
                    log.error("异常", e);
                    return false;
                }
            });
        }
        catch (Exception e)
        {
           log.error("异常", e);
        }
        return value;
    }

使用锁

 private void demo() {
            RedisDistributeLock lock = new RedisDistributeLock(false);
            String lockKey = redisSeqPrefix + "lock:" + seqName;
            try {
                if (lock.tryLock(lockKey)) {
                    String redisValue = redisUtils.get(redisSeqPrefix + seqName);

                    // 加锁之后再次判断是否超出规定长度，防止并发时重置多次
                    if (redisValue != null && redisValue.length() > seqLength) {
                        redisUtils.set(redisSeqPrefix + seqName, "1");
                    }
                }
            } catch (Exception e) {
                logger.error("resetSeqValue异常", e);
            } finally {
                lock.unlock(lockKey);
            }
        }