CAP理论和BASE理论
This commit is contained in:
@@ -1,10 +1,26 @@
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# Redis 分布式锁
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<a href="#一实现原理">一、实现原理</a><br/>
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<a href="#11-基本原理">1.1 基本原理</a><br/>
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<a href="#12-官方推荐">1.2 官方推荐</a><br/>
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<a href="#13--延长锁时效">1.3 延长锁时效</a><br/>
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<a href="#二哨兵模式与分布式锁">二、哨兵模式与分布式锁</a><br/>
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<a href="#三集群模式与分布式锁">三、集群模式与分布式锁</a><br/>
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<a href="#31-RedLock-方案">3.1 RedLock 方案</a><br/>
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<a href="#32-低延迟通讯">3.2 低延迟通讯</a><br/>
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<a href="#33-持久化与高可用">3.3 持久化与高可用</a><br/>
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<a href="#四Redisson">四、Redisson</a><br/>
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<a href="#41-分布式锁">4.1 分布式锁</a><br/>
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<a href="#42-RedLock">4.2 RedLock</a><br/>
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<a href="#43-延长锁时效">4.3 延长锁时效</a><br/>
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</nav>
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## 一、实现原理
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### 1.1 基本原理
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JDK 原生的锁可以让不同**线程**之间以互斥的方式来访问共享资源,但如果想要在不同**进程**之间以互斥的方式来访问共享资源,JDK 原生的锁就无能为力。此时可以使用 Redis 或 Zookeeper 来实现分布式锁。
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JDK 原生的锁可以让不同**线程**之间以互斥的方式来访问共享资源,但如果想要在不同**进程**之间以互斥的方式来访问共享资源,JDK 原生的锁就无能为力了。此时可以使用 Redis 来实现分布式锁。
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Redis 实现分布式锁的核心命令如下:
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@@ -12,7 +28,9 @@ Redis 实现分布式锁的核心命令如下:
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SETNX key value
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```
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SETNX 命令的作用是如果指定的 key 不存在,则创建并将为其设置值,此时返回状态码为 1,否则为 0。如果状态码为 1,代表获得该锁;此时其他进程再次尝试创建时,都回返回 0 ,代表锁已经被占用。当获得锁的进程处理完成业务后,再通过 `del` 命令将该 key 删除,其他进程就可以再次竞争性地进行创建,获得该锁。
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SETNX 命令的作用是:如果指定的 key 不存在,则创建并为其设置值,然后返回状态码 1;如果指定的 key 存在,则直接返回 0。如果返回值为 1,代表获得该锁;此时其他进程再次尝试创建时,由于 key 已经存在,则都会返回 0 ,代表锁已经被占用。
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当获得锁的进程处理完成业务后,再通过 `del` 命令将该 key 删除,其他进程就可以再次竞争性地进行创建,获得该锁。
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通常为了避免死锁,我们会为锁设置一个超时时间,在 Redis 中可以通过 `expire` 命令来进行实现:
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@@ -25,8 +43,8 @@ EXPIRE key seconds
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```java
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Long result = jedis.setnx("lockKey", "lockValue");
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if (result == 1) {
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// 如果此处程序被异常终止(如直接kill -9进程),则设置超时的操作就无法进行,该锁就会出现死锁
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jedis.expire("lockKey", 3);
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// 如果此处程序被异常终止(如直接kill -9进程),则设置超时的操作就无法进行,该锁就会出现死锁
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jedis.expire("lockKey", 3);
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}
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```
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@@ -44,8 +62,8 @@ SET key value [EX seconds|PX milliseconds] [NX|XX] [KEEPTTL]
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- **EX** :设置超时时间,单位是秒;
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- **PX** :设置超时时间,单位是毫秒;
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- **NX** :当且仅当对应的 Key 不存在时候才进行设置;
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- **XX**:当且仅当对应的 Key 不存在时候才进行设置。
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- **NX** :当且仅当对应的 Key 不存在时才进行设置;
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- **XX**:当且仅当对应的 Key 存在时才进行设置。
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这四个参数从 Redis 2.6.12 版本开始支持,因为当前大多数在用的 Redis 都已经高于这个版本,所以推荐直接使用该命令来实现分布式锁。对应的 Jedis 代码如下:
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@@ -53,12 +71,13 @@ SET key value [EX seconds|PX milliseconds] [NX|XX] [KEEPTTL]
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jedis.set("lockKey", "lockValue", SetParams.setParams().nx().ex(3));
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```
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此时一条命令就可以完成值和超时时间的设置,并且因为只有一条命令,因此其原子性也得到了保证。但因为引入了超时时间来避免死锁,同时也存在了两个其他问题:
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此时一条命令就可以完成值和超时时间的设置,并且因为只有一条命令,因此其原子性也得到了保证。但因为引入了超时时间来避免死锁,同时也引出了其它两个问题:
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<div align="center"> <img src="../pictures/redis_分布式锁原理.png"/> </div>
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+ **问题一**:当业务处理的时间超过过期时间后,由于锁已经被释放,此时其他进程就可以获得该锁,这意味着同时有两个进程进入了临界区,此时分布式锁就失效了;
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+ **问题二**:如上图所示,当进程 A 业务处理完成后,此时删除的是进程 B 的锁,进而导致分布式锁又一次失效,进程 B 和 进程 C 同时进入了临界区。
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+ **问题一**:当业务处理的时间超过过期时间后(图中进程 A),由于锁已经被释放,此时其他进程就可以获得该锁(图中进程 B),这意味着有两个进程(A 和 B)同时进入了临界区,此时分布式锁就失效了;
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+ **问题二**:如上图所示,当进程 A 业务处理完成后,此时删除的是进程 B 的锁,进而导致分布式锁又一次失效,让进程 B 和 进程 C 同时进入了临界区。
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针对问题二,我们可以在创建锁时为其指定一个唯一的标识作为 Key 的 Value,这里假设我们采用 `UUID + 线程ID` 来作为唯一标识:
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@@ -87,15 +106,15 @@ jedis.eval(script,
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);
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```
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接着再看问题一,问题一最简单的解决方法是:你可以估计业务的最大处理时间,然后保证设置的过期时间大于最大处理时间。但是由于业务需要面临各种复杂的情况,因此可能无法保证业务每一次都能在规定的过期时间内处理完成,此时可以使用延长锁时效的策略。
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接着再看问题一,问题一最简单的解决方法是:你可以估计业务的最大处理时间,然后保证设置的过期时间大于最大处理时间。但是由于业务会面临各种复杂的情况,因此可能无法保证业务每一次都能在规定的过期时间内处理完成,此时可以使用延长锁时效的策略。
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### 1.3 延长锁时效
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延长锁时效的方案如下:假设锁超时时间是 30 秒,此时程序需要每隔一段时间去扫描一下该锁是否还存在,扫描时间需要小于超时时间,通常可以设置为超时时间的 1/3,在这里也就是 10 秒扫描一次。如果锁还存在,则重置其超时时间恢复到 30 秒。通过这种方案,只要业务还没有处理完成,锁就会一直有效;而当业务一旦处理完成,程序也会马上删除该锁。
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Redis 的 Java 客户端 Redisson 提供的分布式锁就支持延长锁时效的机制,称为 WatchDog,直译过来就是 “看门狗” 机制。
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Redis 的 Java 客户端 Redisson 提供的分布式锁就支持类似的延长锁时效的策略,称为 WatchDog,直译过来就是 “看门狗” 机制。
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以上讨论的都是单机环境下的 Redis 分布式锁,而想要保证 Redis 分布式锁是高可用,首先 Redis 得是高可用的,Redis 的高可用模式主要有两种:哨兵模式和集群模式。
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以上讨论的都是单机环境下的 Redis 分布式锁,而想要保证 Redis 分布式锁是高可用,首先 Redis 得是高可用的,Redis 的高可用模式主要有两种:哨兵模式和集群模式。以下分别进行讨论:
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@@ -117,38 +136,38 @@ Redis 的 Java 客户端 Redisson 提供的分布式锁就支持延长锁时效
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想要在集群模式下实现分布式锁,Redis 提供了一种称为 RedLock 的方案,假设我们有 N 个 Redis 实例,此时客户端的执行过程如下:
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+ 以毫秒为单位记录当前的时间,作为开始时间;
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+ 接着采用和单机版相同的方式,依次尝试在每个实例上创建锁。为了避免客户端长时间与某个故障的 Redis 节点通讯而导致阻塞,这里采用快速轮询的方式:假设创建锁时设置的超时时间为 10 秒,则访问每个 Redis 实例的超时时间可能在 5 到 50 毫秒之间,如果在这个时间内还没有建立通信,则尝试下一个实例;
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+ 如果在至少 N/2+1 个实例上都成功创建了锁。并且 `当前时间 - 开始时间 < 锁的超时时间` ,则认为已经获取了锁,锁的有效时间等于 `超时时间 - 花费时间`(如果考虑到不同 Redis 实例所在的服务器存在时钟漂移,则还需要减去时钟漂移);
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+ 接着采用和单机版相同的方式,依次尝试在每个实例上创建锁。为了避免客户端长时间与某个故障的 Redis 节点通讯而导致阻塞,这里采用快速轮询的方式:假设创建锁时设置的超时时间为 10 秒,则访问每个 Redis 实例的超时时间可能在 5 到 50 毫秒之间,如果在这个时间内还没有建立通信,则尝试连接下一个实例;
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+ 如果在至少 N/2+1 个实例上都成功创建了锁。并且 `当前时间 - 开始时间 < 锁的超时时间` ,则认为已经获取了锁,锁的有效时间等于 `超时时间 - 花费时间`(如果考虑不同 Redis 实例所在服务器的时钟漂移,则还需要减去时钟漂移);
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+ 如果少于 N/2+1 个实例,则认为创建分布式锁失败,此时需要删除这些实例上已创建的锁,以便其他客户端进行创建。
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+ 该客户端在失败后,可以等待一个随机的时间后,再次进行重试。
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以上就是 RedLock 的实现方案,可以看到主要是由客户端来实现的,并不真正涉及到 Redis 集群相关的功能。因此这里的 N 个 Redis 实例并不要求是一个真正的 Redis 集群,它们彼此之间可以是完全独立的,但由于只需要半数节点获得锁就能真正获得锁,因此对于分布式锁功能而言,其仍然是高可用的。后面使用 Redisson 来演示 RedLock 时会再次验证这一点。
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以上就是 RedLock 的实现方案,可以看到主要是由客户端来实现的,并不真正涉及到 Redis 集群相关的功能。因此这里的 N 个 Redis 实例并不要求是一个真正的 Redis 集群,它们彼此之间可以是完全独立的,但由于只需要半数节点获得锁就能真正获得锁,因此其仍然具备容错性和高可用性。后面使用 Redisson 来演示 RedLock 时会再次验证这一点。
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### 3.2 低延迟通讯和多路复用
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### 3.2 低延迟通讯
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实现 RedLock 方案的客户端与所有 Redis 实例进行通讯时,必须要保证低延迟,而且最好能使用多路复用技术来保证一次性将 SET 命令发送到所有 Redis 节点上,并获取到对应的执行结果。假设网络延迟高,此时客户端 A 和 B 分别尝试创建锁:
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另外实现 RedLock 方案的客户端与所有 Redis 实例进行通讯时,必须要保证低延迟,而且最好能使用多路复用技术来保证一次性将 SET 命令发送到所有 Redis 节点上,并获取到对应的执行结果。如果网络延迟较高,假设客户端 A 和 B 都在尝试创建锁:
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```shell
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SET key 随机数A EX 3 NX #A客户端
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SET key 随机数B EX 3 NX #B客户端
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```
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假设客户端 A 在一半节点上创建了锁,而客户端 B 在另外一半节点上创建了锁,此时两个客户端都无法获取到锁。如果并发很高,则可能存在多个客户端分别在部分节点上创建了锁,而没有一个客户端的数量超过 N/2+1。这也就是上面过程的最后一步中,强调一旦客户端失败后,需要等待一个随机时间后再进行重试的原因,如果是一个固定时间,则所有失败的客户端又同时发起重试,情况就还是一样。
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此时可能客户端 A 在一半节点上创建了锁,而客户端 B 在另外一半节点上创建了锁,那么两个客户端都将无法获取到锁。如果并发很高,则可能存在多个客户端分别在部分节点上创建了锁,而没有一个客户端的数量超过 N/2+1。这也就是上面过程的最后一步中,强调一旦客户端失败后,需要等待一个随机时间后再进行重试的原因,如果是一个固定时间,则所有失败的客户端又同时发起重试,情况就还是一样。
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因此最佳的实现就是客户端的 SET 命令能几乎同时到达所有节点,并几乎同时接受到所有执行结果。 想要保证这一点,低延迟的网络通信极为关键,下文介绍的 Redisson 就采用 Netty 来实现了这一功能。
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因此最佳的实现就是客户端的 SET 命令能几乎同时到达所有节点,并几乎同时接受到所有执行结果。 想要保证这一点,低延迟的网络通信极为关键,下文介绍的 Redisson 就采用 Netty 框架来保证这一功能的实现。
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### 3.3 持久化与高可用
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为了保证高可用,所有 Redis 节点都需要开启持久化。假设不开启持久化,假设进程 A 获得锁后正在处理业务逻辑,此时节点宕机重启,因为锁数据丢失了,其他进程便可以再次获得该锁,因此所有 Redis 节点都需要开启 AOF 持久化方式。
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为了保证高可用,所有 Redis 节点还需要开启持久化。假设不开启持久化,假设进程 A 获得锁后正在处理业务逻辑,此时节点宕机重启,因为锁数据丢失了,其他进程便可以再次创建该锁,因此所有 Redis 节点都需要开启 AOF 的持久化方式。
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AOF 默认的同步机制为 `everysec`,即每秒进程一次持久化,此时能够兼顾性能与数据安全,发生意外宕机的时,最多会丢失一秒的数据。但如果碰巧就是在这一秒的时间内进程 A 创建了锁,此时其他进程也可以获得该锁,锁的互斥性也就失效了。要解决这个问题有两种方式:
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AOF 默认的同步机制为 `everysec`,即每秒进程一次持久化,此时能够兼顾性能与数据安全,发生意外宕机的时,最多会丢失一秒的数据。但如果碰巧就是在这一秒的时间内进程 A 创建了锁,并由于宕机而导致数据丢失。此时其他进程还可以创建该锁,锁的互斥性也就失效了。想要解决这个问题有两种方式:
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+ **方式一**:修改 Redis.conf 中 `appendfsync` 的值为 always,即每次命令后都进行持久化,此时降低了 Redis 性能,进而也会降低了分布式锁的性能,但锁的互斥性得到了绝对的保证;
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+ **方式二**:一旦节点宕机了,等到锁的超时时间过了之后才进行重启,此时相当于原有锁自然失效(你需要保证业务在自己设定的超时时间内能完成),这种方案称为延时重启。
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+ **方式一**:修改 Redis.conf 中 `appendfsync` 的值为 `always`,即每次命令后都进行持久化,此时会降低 Redis 性能,进而也会降低分布式锁的性能,但锁的互斥性得到了绝对的保证;
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+ **方式二**:一旦节点宕机了,需要等到锁的超时时间过了之后才进行重启,此时相当于原有锁自然失效(但你首先需要保证业务能在设定的超时时间内完成),这种方案也称为延时重启。
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@@ -169,27 +188,28 @@ RedissonClient redissonClient = Redisson.create(config);
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// 2.创建锁实例
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RLock lock = redissonClient.getLock("myLock");
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try {
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//3.尝试获取分布式锁,第一个参数为等待时间,第二个参数为锁过期时间
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boolean isLock = lock.tryLock(10, 30, TimeUnit.SECONDS);
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if (isLock) {
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// 4.模拟业务处理
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//3.尝试获取分布式锁,第一个参数为等待时间,第二个参数为锁过期时间
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boolean isLock = lock.tryLock(10, 30, TimeUnit.SECONDS);
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if (isLock) {
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// 4.模拟业务处理
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System.out.println("处理业务逻辑");
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Thread.sleep(20 * 1000);
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}
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Thread.sleep(20 * 1000);
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}
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} catch (Exception e) {
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e.printStackTrace();
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e.printStackTrace();
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} finally {
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//5.释放锁
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lock.unlock();
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//5.释放锁
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lock.unlock();
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}
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redissonClient.shutdown();
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```
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此时对应在 Redis 中的数据结构如下:
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<div align="center"> <img src="../pictures/redis_分布式锁_cli1.png"/> </div>
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可以看到 key 就是代码中设置的锁名,而 value 值的类型是 hash,其中键 `9280e909-c86b-43ec-b11d-6e5a7745e2e9:13` 的格式为 `UUID + 线程ID`,键对应的值为 1,代表加锁的次数。之所以要采用 hash 这种格式,主要是因为 Redisson 创建的锁是具有重入性的,即你可以多次进行加锁:
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可以看到 key 就是代码中设置的锁名,而 value 值的类型是 hash,其中键 `9280e909-c86b-43ec-b11d-6e5a7745e2e9:13` 的格式为 `UUID + 线程ID` ;键对应的值为 1,代表加锁的次数。之所以要采用 hash 这种格式,主要是因为 Redisson 创建的锁是具有重入性的,即你可以多次进行加锁:
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```java
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boolean isLock1 = lock.tryLock(0, 30, TimeUnit.SECONDS);
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@@ -198,9 +218,10 @@ boolean isLock2 = lock.tryLock(0, 30, TimeUnit.SECONDS);
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此时对应的值就会变成 2,代表加了两次锁:
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<div align="center"> <img src="../pictures/redis_分布式锁_cli2.png"/> </div>
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当然和其他重入锁一样,需要保证加锁的次数和解锁的次数一样,才能完全解锁:
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当然和其他重入锁一样,需要保证解锁的次数和加锁的次数一样,才能完全解锁:
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```java
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lock.unlock();
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@@ -243,17 +264,17 @@ RLock lock03 = redissonClient03.getLock(lockName);
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RedissonRedLock redLock = new RedissonRedLock(lock01, lock02, lock03);
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try {
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boolean isLock = redLock.tryLock(10, 300, TimeUnit.SECONDS);
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if (isLock) {
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// 4.模拟业务处理
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System.out.println("处理业务逻辑");
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Thread.sleep(200 * 1000);
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}
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boolean isLock = redLock.tryLock(10, 300, TimeUnit.SECONDS);
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||||
if (isLock) {
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||||
// 4.模拟业务处理
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||||
System.out.println("处理业务逻辑");
|
||||
Thread.sleep(200 * 1000);
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||||
}
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} catch (Exception e) {
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||||
e.printStackTrace();
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e.printStackTrace();
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} finally {
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//5.释放锁
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redLock.unlock();
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||||
//5.释放锁
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||||
redLock.unlock();
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}
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||||
redissonClient01.shutdown();
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@@ -263,7 +284,8 @@ redissonClient03.shutdown();
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此时每个 Redis 实例上锁的情况如下:
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<div align="center"> <img src="../pictures/redis_分布式锁_cli3.png"/> </div>
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可以看到每个实例上都获得了锁。
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@@ -281,24 +303,24 @@ RedissonClient redissonClient = Redisson.create(config);
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// 2.创建锁实例
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RLock lock = redissonClient.getLock("myLock");
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||||
try {
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||||
//3.尝试获取分布式锁,第一个参数为等待时间
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||||
boolean isLock = lock.tryLock(0, TimeUnit.SECONDS);
|
||||
if (isLock) {
|
||||
// 4.模拟业务处理
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||||
System.out.println("处理业务逻辑");
|
||||
Thread.sleep(60 * 1000);
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||||
System.out.println("锁剩余的生存时间:" + lock.remainTimeToLive());
|
||||
}
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||||
//3.尝试获取分布式锁,第一个参数为等待时间
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||||
boolean isLock = lock.tryLock(0, TimeUnit.SECONDS);
|
||||
if (isLock) {
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||||
// 4.模拟业务处理
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||||
System.out.println("处理业务逻辑");
|
||||
Thread.sleep(60 * 1000);
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||||
System.out.println("锁剩余的生存时间:" + lock.remainTimeToLive());
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||||
}
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} catch (Exception e) {
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e.printStackTrace();
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e.printStackTrace();
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||||
} finally {
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||||
//5.释放锁
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||||
lock.unlock();
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||||
//5.释放锁
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||||
lock.unlock();
|
||||
}
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||||
redissonClient.shutdown();
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```
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这里我们通过 `config.setLockWatchdogTimeout(30 * 1000)` 将 lockWatchdogTimeout 的值设置为 30000 毫秒(默认值也是 30000 毫秒)。lockWatchdogTimeout 只会对那些没有设置锁超时时间的锁生效,所以我们这里调用的是两个参数的 `tryLock()` 方法:
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首先 Redisson 的 WatchDog 机制只会对那些没有设置锁超时时间的锁生效,所以我们这里调用的是两个参数的 `tryLock()` 方法:
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```java
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boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
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@@ -310,9 +332,9 @@ boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
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boolean tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
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```
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Redisson 的 WatchDog 机制会以 lockWatchdogTimeout 的 1/3 时长为周期(在这里就是 10 秒)对所有未设置超时时间的锁进行检查,如果业务尚未处理完成(也就是锁还没有被程序主动删除),Redisson 就会将锁的超时时间重置为 lockWatchdogTimeout 指定的值(在这里就是设置的 30 秒),直到锁被程序主动删除。因此在上面的例子中可以看到,不论将模拟业务的睡眠时间设置为多长,其锁都会存在一定的剩余生存时间,直至业务处理完成。
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其次我们通过 `config.setLockWatchdogTimeout(30 * 1000)` 将 lockWatchdogTimeout 的值设置为 30000 毫秒(默认值也是 30000 毫秒)。此时 Redisson 的 WatchDog 机制会以 lockWatchdogTimeout 的 1/3 时长为周期(在这里就是 10 秒)对所有未设置超时时间的锁进行检查,如果业务尚未处理完成(也就是锁还没有被程序主动删除),Redisson 就会将锁的超时时间重置为 lockWatchdogTimeout 指定的值(在这里就是设置的 30 秒),直到锁被程序主动删除位置。因此在上面的例子中可以看到,不论将模拟业务的睡眠时间设置为多长,其锁都会存在一定的剩余生存时间,直至业务处理完成。
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反之,如果明确的指定了锁的超时时间 leaseTime,则以 leaseTime 的时间为准,WatchDog 机制对明确指定超时时间的锁不会生效。
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反之,如果明确的指定了锁的超时时间 leaseTime,则以 leaseTime 的时间为准,因为 WatchDog 机制对明确指定超时时间的锁不会生效。
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