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【SpringBoot框架篇】5.分布式锁的实现方式

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文章目录

1.简介

为了防止分布式系统中的多个进程之间相互干扰，我们需要一种分布式协调技术来对这些进程进行调度。而这个分布式协调技术的核心就是来实现这个分布式锁。

2.为什么要用分布式锁

​​
​​【SpringBoot框架篇】5.分布式锁的实现方式
假设有3个用户对一个秒杀系统的商品点击购买并且该商品的数量只有1件,如果不设置分布式锁的情况,会出现3个人都可能出去购买成功的情况,这种情况是系统不允许的.

例如下面情况,当库存是100的时候,用jmeter模拟100个用户下单,会显示库存一直只减少了1件.
【SpringBoot框架篇】5.分布式锁的实现方式

3.分布式锁的实现方式

3.1.基于 redis的 单线程原子性

3.1.1.redis实现方式

主要依赖redis 的setnx()、expire() 这2个函数实现

方法描述
setnx(lockkey, 1)如果方法返回 0，则说明占位失败；如果返回 1，则说明占位成功
expire()对 lockkey 设置超时时间，为的是避免死锁问题。

3.1.2.JAVA代码实现

3.1.2.1.引入依赖

  <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
 </dependency>

3.1.2.2.配置文件

server:
  port: 8080
spring:
  redis:
    #redis服务器的ip
    host: 127.0.0.1 
    port: 6379
    jedis:
      pool:
        max-active: 8

3.1.2.3.Controller层

@RestController
public class OrderController {
 
    @Autowired
    StringRedisTemplate stringRedisTemplate;
 
    @RequestMapping("/deduct_stock/{productId}")
    public String deductStock(@PathVariable String productId) {
        String lockKey = "product_" + productId;
        try {
            //利用redis单线程模型去写值,写入成功即获取锁,设置30秒后失效,避免程序出现宕机情况
            boolean result = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(lockKey, "lock", 30, TimeUnit.SECONDS);
            if (!result) {
                //尝试再去获取3次锁,如果不需要尝试获取锁可以注释了下面这段,直接返回失败
                result = deductStockCAS(lockKey, 3);
                if (!result) {
                    return "error";
                }
            }
            Integer stock = Integer.parseInt(stringRedisTemplate.opsForValue().get("stock"));
            if (stock > 0) {
                stock -= 1;
                stringRedisTemplate.opsForValue().set("stock", stock.toString());
                System.out.println("库存扣减成功,剩余库存:" + stock);
                return "success";
            }
            System.out.println("库存不足,扣减失败!");
            return "error";
        } finally {
            //释放锁
            stringRedisTemplate.delete(lockKey);
        }
    }
 
    /**
     * 设置要获取的key和尝试的次数
     * 没有获取到锁,通过CAS自旋
     */
    public boolean deductStockCAS(String lockKey, Integer count) {
        try {
            int i = 0;
            do {
                Thread.sleep(1000L);
                i++;
                if (i == count + 1) {//自旋结束
                    return false;
                }
            } while (!stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(lockKey, "lock", 30, TimeUnit.SECONDS));
            return true;
        } catch (Exception e) {
            return false;
        }
    }
 
}

3.1.2.4.模拟测试

启动2个进程
分别启动8080和8081这两个端口

让idea 一个项目能够启动多次
修改idea启动配置，勾选 Allow parallel run
【SpringBoot框架篇】5.分布式锁的实现方式
按默认配置启动8080端口,然后修改启动配置,启动8081端口
在Program arguments处添加 以下配置，然后点击OK,再启动程序

--server.port=8081

【SpringBoot框架篇】5.分布式锁的实现方式

配置nginx

http{
	   upstream etopgroup {
	        server localhost:8080;  
		     server localhost:8081;  
	    }
        server {
	        listen       80;
	        server_name  localhost;
	        location / {
	           proxy_pass http://tomcatServer;
	        }
        }
}

使用java多线程模拟100个用户并行操作

public class SimulateTest {

    public static void main(String[] args) {
        //并发的线程数
        int threadSize=100;
        ExecutorService fixedThreadPool=Executors.newFixedThreadPool(threadSize);
        for(int i=0;i<threadSize;i++) {
            fixedThreadPool.submit(() -> {
                RestTemplate restTemplate = new RestTemplate();
                String result = restTemplate.getForObject("http://localhost/deduct_stock/1", String.class);
                System.out.println(result);
            });
        }
    }

8080端口扣减数量
【SpringBoot框架篇】5.分布式锁的实现方式
8081端口扣减数量
【SpringBoot框架篇】5.分布式锁的实现方式
可以看到2个进程的扣商品扣减数都是正常的。
也可以使用jmeter模拟并发，jmeter使用请参考我写的 jmeter入门教程

3.2.基于数据库的排它锁

利用主键唯一的特性，如果有多个请求同时提交到数据库的话，数据库会保证只有一个操作可以成功，那么我们就可以认为操作成功的那个线程获得了该方法的锁，当方法执行完毕之后，想要释放锁的话，删除这条数据库记录即可。

下图是商品库存是100件,用jmeter模拟100个用户请求,重数据库扣减库存出现的情况，为了避免这种情况出现,加上分布式锁解决该问题

3.2.1.引入依赖

       <!--data jpa-->
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-data-jpa</artifactId>
        </dependency>
        <!--数据库-->
        <dependency>
            <groupId>mysql</groupId>
            <artifactId>mysql-connector-java</artifactId>
        </dependency>
        <!--增强处理,用于在任务调度的方法切入获取锁请求-->
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-aop</artifactId>
        </dependency>

3.2.2.JAVA代码

3.2.2.1.controller

@RestController
public class OrderController {

    @Autowired
    private CommodityRepository commodityRepository;

    @RequestMapping("/deduct_stock")
    public String deductStock() {
        Commodity commodity = commodityRepository.findByCommodityName("惠普暗夜精灵5");
        if (commodity.getNumber() > 0) {
            commodity.setNumber(commodity.getNumber() - 1);
            commodityRepository.save(commodity);
            System.out.println("抢购成功,剩余库存:" + commodity.getNumber());
            return "success";
        } else {
            System.out.println("剩余库存不足,抢购失败!");
            return "error";
        }
    }
}

3.2.2.2.model

//存储锁对应的方法信息
@Entity
@Table(name = "method_lock")
public class MethodLock {
    @Id
    private String id;
    //被锁的方法名称
    private String methodName;
    //占用的线程描述
    private String methodDesc;
    //操作时间
    private Date updateTime;
    //省略 get set方法 ...
}
//存储商品信息
@Entity
@Table(name = "commodity")
public class Commodity {
    @Id
    private Integer id;
    //商品数量
    private Integer number;
    //商品名称
    private String commodityName;
    //省略 get set方法 ...
}

#准备测速数据
insert into commodity (id,commodityName,number)value(1,'惠普暗夜精灵5',5);

3.2.2.3.aop切面

@Aspect
@Configuration
public class TaskPointcut {

    @Autowired
    private MethodLockRepository methodLockRepository;
    private final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(TaskPointcut.class);

    @Value("${server.port}")
    private Integer port;

    /**
     * 需要加分布式锁的切入点
     * 这里可以指定OrderController下面的所有方法
     */
    @Pointcut("execution(public * com.ljm.databaselook.controller.OrderController.*(..)))")
    public void methodLock() {
    }


    /**
     * 事前处理
     * 获取锁 尝试获取锁
     *
     * @return 成功获取锁, 继续执行操作, 获取锁失败则返回错误信息
     */
    @Around("methodLock()")
    public Object around(ProceedingJoinPoint pj) {
        String methodName = "";
        logger.info("Try to acquire the lock");
        try {
            MethodSignature signature = (MethodSignature) pj.getSignature();
            methodName = signature.getMethod().getName();
            MethodLock methodLock = new MethodLock();
            methodLock.setMethodName(methodName);
            //方法描述拼接线程描述和当前端口,可以再拼一些别的参数,保证不同进程用不同的描述
            methodLock.setMethodDesc(Thread.currentThread().getId() + "-"+port);
            methodLock.setUpdateTime(new Date());
            //插入数据成功则代表获取锁成功
            methodLockRepository.save(methodLock);
            logger.info("around getLook success taskName={}", methodName);
            return pj.proceed();
        } catch (Throwable e) {
           logger.info("getLook fail error={}",e);
            return "getLook fail";
        }
    }

    /**
     * 事后处理
     * 释放锁信息
     */
    @After("methodLock()")
    public void doAfterAdvice(JoinPoint joinPoint) {
        MethodSignature signature = (MethodSignature) joinPoint.getSignature();
        String methodName = signature.getMethod().getName();
        //只能释放当前线程拿到的锁信息
        MethodLock methodLock = methodLockRepository.findByMethodNameAndMethodDesc(methodName, Thread.currentThread().getId() +"-"+port);
        if (methodLock != null) {
            logger.info("freed lock method:{}", methodName);
            methodLockRepository.delete(methodLock);
            logger.info("doAfterAdvice unLook methodName={}", methodName);
        }
    }


    /**
     * 异常处理 释放锁
     */
    @AfterThrowing("methodLock()")
    public void afterThrowing(JoinPoint joinPoint) {
        MethodSignature signature = (MethodSignature) joinPoint.getSignature();
        String methodName = signature.getMethod().getName();
        MethodLock methodLock = methodLockRepository.findByMethodNameAndMethodDesc(methodName, Thread.currentThread().getId() +"-"+port);
        if (methodLock != null) {
            logger.error("freed lock method:{}", methodName);
            methodLockRepository.delete(methodLock);
            logger.info("afterThrowing unLook methodName={}", methodName);
        }
    }

3.2.2.3.测试代码

压测的地址用的是nginx代理过的,具体配置请参考上面

public class SimulateTest {

    //java原子包,利用了CAS算法保证了数据的原子性,
    static  AtomicInteger successCount=new AtomicInteger(0);
    //volatile修饰的变量能保证修改操作的原子性,但是在 ++操作中设计到了2个指令操作 count=count+1,所以在++操作中volatile原子性可能会失效
    //static volatile  Integer successCount=0;

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        //总共的线程数
        int threadSize=100;
        //每秒并发数
        final  int count=20;
        //同步执行器,必须等所有线程都完成任务,才能执行后面的代码
        CountDownLatch downLatch=new CountDownLatch(threadSize);
        ExecutorService fixedThreadPool=Executors.newFixedThreadPool(threadSize);
        for(int i=0;i<threadSize;i++) {
            int finalI = i;
            fixedThreadPool.submit(() -> {
                //每秒执行20个请求,执行5秒
                if(finalI%count==0){
                    try {
                        Thread.sleep(1000L);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                RestTemplate restTemplate = new RestTemplate();
                String result = restTemplate.getForObject("http://localhost/deduct_stock", String.class);
                if("success".equals(result)){
                    successCount.incrementAndGet();
                }
                downLatch.countDown();
            });
        }
        //等待所有任务完成
        downLatch.await();
        System.out.println("购买商品成功的次数:"+successCount.get());
        fixedThreadPool.shutdown();
    }
}

可以看到,在压测5秒,每秒20个请求的情况下,只有3个线程拿到了锁
【SpringBoot框架篇】5.分布式锁的实现方式

3.基于 ZooKeeper 做分布式锁

每个客户端对某个方法加锁时，在 Zookeeper 上与该方法对应的指定节点的目录下，生成一个唯一的临时有序节点。 判断是否获取锁的方式很简单，只需要判断有序节点中序号最小的一个。 当释放锁的时候，只需将这个临时节点删除即可。同时，其可以避免服务宕机导致的锁无法释放，而产生的死锁问题。

3.1.引入依赖

<!--zookeeper api操作依赖-->
        <dependency>
            <groupId>org.apache.curator</groupId>
            <artifactId>curator-recipes</artifactId>
            <version>${curator.version}</version>
        </dependency>
 
        <!--添加zookeeper服务注册-->
        <dependency>
            <groupId>org.apache.curator</groupId>
            <artifactId>curator-x-discovery</artifactId>
            <version>${curator.version}</version>
        </dependency>

3.2.配置文件

server:
  port: 8080
 
zk:
  url: 192.168.0.105:2181   #zookeeper服务器ip
  serviceName: /service

3.3.JAVA代码

下面代码中,库存没有放到数据库或者redis中,用内存放着,
有兴趣的同学可以自己放到redis或数据库然后开多个节点测试.

@RestController
public class OrderController {
 
 
    @Autowired
    private CuratorFramework zkClient;
    String lookPath = "/look/test";
 
    AtomicInteger atomicInteger=new AtomicInteger(5);//设置库存
    /**
     * 只有等锁释放了,别的线程才能获取新的锁
     * @return
     */
    @RequestMapping("/deduct_stock")
    public String deduct_stock() {
        try {
            InterProcessMutex lock = new InterProcessMutex(zkClient, lookPath);
            //acquire设置等待时间,下面设置的尝试获取锁的时间，不设置参数默认无限等待
            if (lock.acquire(10, TimeUnit.SECONDS)) {
                try {
                    if(atomicInteger.get()>0) {
                        atomicInteger.set(atomicInteger.get() - 1);
                        System.out.println("购买成功,剩余库存为:" + atomicInteger.get());
                        return "success";
                    }
                    System.out.println("库存不足:" + atomicInteger.get());
                } finally {
                    //释放锁
                    lock.release();
                }
            }
            return "error";
        } catch (Exception ex) {
            ex.printStackTrace();
            return "error";
        }
    }

4.项目配套代码

github地址

创作不易,要是觉得我写的对你有点帮助的话,麻烦在github上帮我点下 Star

【SpringBoot框架篇】其它文章如下,后续会继续更新。

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