4. Redis实现Lock接口

基于 Redis 实现 Java Lock 接口的设计与实现文档

一、背景与目标

在分布式系统中，为了保证多个节点对共享资源访问的一致性和互斥性，往往需要引入分布式锁机制。Redis 由于其性能优秀、支持原子操作且具备良好的生态，被广泛应用于实现分布式锁的场景。

本文旨在介绍如何通过 Redis 来实现 Java 的 Lock 接口，并深入探讨不同的实现方式、其原理、优缺点与扩展思路。

二、为什么 Redis 非常适合用于实现分布式锁？

Redis 在以下多个方面天然适配于分布式锁的实现：

1. 原子操作

Redis 提供的 SET key value NX PX 命令具备原子性。
同一时间只有一个客户端能设置成功，从而实现互斥。

2. 快速响应（低延迟）

Redis 是内存数据库，读写速度极快，适合高频加解锁操作。

3. 丰富的操作语义

除了 SET NX PX，Redis 支持 Lua 脚本，可以原子化处理复杂的检查+释放逻辑，避免 race condition。

4. 自然支持过期机制

Redis 可为 key 设置 TTL（Time to Live），防止客户端 crash 导致锁永远无法释放，即“死锁”。

5. 客户端丰富，生态完善

Java 中可用 Jedis、Lettuce、Redisson 等多个客户端，并支持与 Spring 框架高度集成。

6. 支持持久化与高可用

Redis 支持主从复制、哨兵机制、集群部署等，可以支持更高的可用性和容灾能力。

7. 简单易用

相比 ZooKeeper，Redis 的部署成本更低，学习曲线平滑，在非强一致性场景下性价比更高。

三、目标与实现思路

我们希望实现如下目标：

使用 Redis 实现 java.util.concurrent.locks.Lock 接口。
支持基本的 lock()、unlock()、tryLock() 方法。
支持阻塞、超时、自动过期等机制。
可扩展以支持公平锁、可重入锁等功能。

Redis 本身支持如下两种机制来构建分布式锁：

基于 SET key value NX PX 命令实现基本锁
基于 Redisson（推荐）或实现 Redlock 算法

四、Redis 分布式锁核心原理

1. 基本命令方式

使用 Redis 的 SET 命令实现原子加锁：

SET lock_key unique_value NX PX 30000

含义：

NX 表示只有当 key 不存在时才设置成功，相当于加锁。
PX 表示过期时间，防止死锁。
unique_value 一般为 UUID，表示当前线程唯一标识。

释放锁使用 Lua 脚本确保原子性：

if redis.call("get", KEYS[1]) == ARGV[1] then
    return redis.call("del", KEYS[1])
else
    return 0
end

2. Redlock 算法（多 Redis 节点）

由 Redis 作者提出，适用于高可用场景。要求：

向多个 Redis 实例写入锁
获得超过半数成功则视为加锁成功
使用时需注意时钟漂移、网络抖动等问题

推荐使用 Redisson 等成熟组件代替手写实现。

五、RedisLock 实现类的详细实现流程

1. 构造函数

传入 RedisTemplate 与 lockKey。
初始化 ThreadLocal<String> 用于保存本线程生成的唯一锁标识。

2. `lock()` 实现逻辑

通过 tryLock() 自旋尝试加锁。
若失败，则 Thread.sleep 一段时间后重试，直到成功。

3. `tryLock()` 实现逻辑

使用 UUID 作为当前线程锁的唯一标识。
通过 Redis 的 SET NX PX 尝试设置 key。
若成功，保存 UUID 到线程变量中。
若失败，返回 false。

4. `unlock()` 实现逻辑

获取当前线程存储的 UUID。
使用 Lua 脚本判断当前 key 是否由本线程持有。
若是则释放；否则不做处理。

5. 不支持的方法处理

lockInterruptibly、tryLock(timeout)、newCondition 方法暂时抛出 UnsupportedOperationException。

6. 锁值隔离说明

ThreadLocal 保证多线程环境下 UUID 隔离。
避免线程 A 设置了锁，线程 B 意外解锁的情况。

六、基本实现（自定义 RedisLock）

public class RedisLock implements Lock {
    private final String lockKey;
    private final RedisTemplate<String, String> redisTemplate;
    private final ThreadLocal<String> lockValue = new ThreadLocal<>();

    public RedisLock(String lockKey, RedisTemplate<String, String> redisTemplate) {
        this.lockKey = lockKey;
        this.redisTemplate = redisTemplate;
    }

    @Override
    public void lock() {
        while (!tryLock()) {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }

    @Override
    public boolean tryLock() {
        String uuid = UUID.randomUUID().toString();
        Boolean success = redisTemplate.opsForValue()
            .setIfAbsent(lockKey, uuid, Duration.ofSeconds(30));
        if (Boolean.TRUE.equals(success)) {
            lockValue.set(uuid);
            return true;
        }
        return false;
    }

    @Override
    public void unlock() {
        String value = lockValue.get();
        String script = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
        redisTemplate.execute(
            new DefaultRedisScript<>(script, Long.class),
            Collections.singletonList(lockKey),
            value
        );
        lockValue.remove();
    }

    @Override public void lockInterruptibly() throws InterruptedException { throw new UnsupportedOperationException(); }
    @Override public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException { throw new UnsupportedOperationException(); }
    @Override public Condition newCondition() { throw new UnsupportedOperationException(); }
}

七、扩展方式与改进思路

1. 可重入锁实现

通过 ThreadLocal 记录当前线程持有锁次数
Redis 中的 value 存储 JSON：threadId + count
释放时进行 count–

2. 公平锁

使用 Redis List 模拟等待队列
每次加锁都判断是否轮到当前线程

3. Watch Dog 自动续期

每隔一定时间判断锁是否持有
自动续约过期时间，避免因业务时间长导致锁被抢走

Redisson 实现中使用 ScheduledExecutorService 来实现

4. 集群下支持（Redlock）

建议使用 Redisson，支持 Redlock
若自定义实现，需记录多个节点响应时延和分布式时间偏差

八、开源方案推荐

名称	说明
Redisson	支持 ReentrantLock、ReadWriteLock、Semaphore、CountDownLatch 等多种同步原语
Lettuce	提供较低级的 Redis 操作能力，适用于自定义实现
Jedis	经典 Redis 客户端，可支持基础锁实现

九、总结

Redis 是实现分布式锁的理想选择，适合场景如定时任务调度、单点任务控制、共享资源互斥访问等。
基于 Redis 的 SET NX PX 命令+Lua 脚本可实现原子性的加解锁。
实现 Lock 接口需关注：唯一标识、过期时间、线程隔离性、可扩展性。
推荐使用 Redisson 等成熟方案，在开发效率、可靠性、扩展性方面优势明显。

附录：参考文献

Redis 官方文档：https://redis.io
Redisson GitHub：https://github.com/redisson/redisson
Redis distributed locks: https://redis.io/docs/manual/patterns/distributed-locks/
Redlock Algorithm: https://redis.io/docs/reference/patterns/distributed-locks/#the-redlock-algorithm

3. redis的典型应用