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SpringBoot整合Redis实现分布式缓存及锁的实战分享

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导读 在当前流行的微服务以及分布式集群环境下,Redis 的使用场景可以说非常的广泛,能解决集群环境下系统中遇到的不少技术问题,在此列举几个使用 redis 经常用到的功能!
一、摘要

SpringBoot 整合 Redis 实现分布式缓存及锁的实战分享

在前几篇文章中,我们详细介绍了 redis 的一些功能特性以及主流的 java 客户端 api 使用方法。

在当前流行的微服务以及分布式集群环境下,Redis 的使用场景可以说非常的广泛,能解决集群环境下系统中遇到的不少技术问题,在此列举几个使用 redis 经常用到的功能!

分布式缓存:在分布式的集群架构中,将缓存存储在内存中会出现很多的问题,比如用户回话信息,因为这部分信息需要与其他机器共享,此时利用 Redis 可以很好的解决机器之间数据共享的问题,缓存也是 Redis 中使用最多的场景
分布式锁:在高并发的情况下,我们需要一个锁来防止并发带来的脏数据,Java 自带的锁机制显然对进程间的并发并不好使,此时利用 Redis 的单线程特性,实现分布式锁控制
接口限流:在集群环境下,可以利用 redis 的分布式自增 ID 功能,精准的统计每个接口在指定时间内的请求次数,利用这个特性,可以定向限制某个接口恶意频刷
当然 Redis 的使用场景并不仅仅只有这么多,还有很多未列出的场景,如发布 / 订阅,分布锁集合等。

现实中我们大部分的微服务项目,都是基于 SpringBoot 框架进行快速开发,在 SpringBoot 项目中我们应该如何使用 Redis 呢?

代码实践如下!

二、代码实践
2.1、添加 redis 相关依赖包

实际上,在 SpringBoot 项目中,使用 redis 非常简单,开发者只需要在项目中添加如下的依赖即可!


    org.springframework.boot
    spring-boot-starter-data-redis

在之前的 redis 系列文章中,我们知道官方推荐的 java 版本的 redis 客户端,一共有三个,分别是 Jedis、Lettuce 和 Redisson​,其中大部分场景下,使用 Jedis​或者 Lettuce 就足够了。

在 SpringBoot 1.x 版本里面,spring-boot-starter-data-redis​默认集成的客户端是 Jedis​;从 SpringBoot 2.x 开始,spring-boot-starter-data-redis​默认集成的客户端是 Lettuce。

以 springBoot-2.1.0​版本为例,我们打开 spring-boot-starter-data-redis 依赖配置,核心配置如下!

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd" xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"
    xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance">
  <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
  <parent>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starters</artifactId>
    <version>2.1.0.RELEASE</version>
  </parent>
  <groupId>org.springframework.boot</groupId>
  <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
  <version>2.1.0.RELEASE</version>
  <name>Spring Boot Data Redis Starter</name>

  <!-- 省略其他配置...-->
 
  <dependencies>
    <dependency>
      <groupId>org.springframework.boot</groupId>
      <artifactId>spring-boot-starter</artifactId>
      <version>2.1.0.RELEASE</version>
      <scope>compile</scope>
    </dependency>
    <dependency>
      <groupId>org.springframework.data</groupId>
      <artifactId>spring-data-redis</artifactId>
      <version>2.1.2.RELEASE</version>
      <scope>compile</scope>
      <exclusions>
        <exclusion>
          <artifactId>jcl-over-slf4j</artifactId>
          <groupId>org.slf4j</groupId>
        </exclusion>
      </exclusions>
    </dependency>
    <dependency>
      <groupId>io.lettuce</groupId>
      <artifactId>lettuce-core</artifactId>
      <version>5.1.2.RELEASE</version>
      <scope>compile</scope>
    </dependency>
  </dependencies>

</project>

可以很清晰的看到,spring-boot-starter-data-redis​默认集成的客户端是 Lettuce。

2.2、配置 redis 相关连接信息

依赖包添加完成之后,我们还需要在 application.properties 全局配置文件中,添加相关的 redis 配置信息。

# Redis 数据库索引(默认为 0)spring.redis.database=0
# Redis 服务器地址
spring.redis.host=127.0.0.1
# Redis 服务器连接端口
spring.redis.port=6379
# Redis 服务器连接密码(默认为空)spring.redis.password=
# 连接池最大连接数(使用负值表示没有限制)默认 8
spring.redis.lettuce.pool.max-active=8
# 连接池最大阻塞等待时间(使用负值表示没有限制)默认 -1
spring.redis.lettuce.pool.max-wait=-1
# 连接池中的最大空闲连接 默认 8
spring.redis.lettuce.pool.max-idle=8
# 连接池中的最小空闲连接 默认 0
spring.redis.lettuce.pool.min-idle=0

最后,我们来跑一个最简单的单元测试,看看是否能联通(确保 redis 的服务端已经启动)。

@Autowired
private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;

@Test
public void test() throws Exception {String uuid = UUID.randomUUID().toString();
    stringRedisTemplate.opsForValue().set(uuid, uuid, 60, TimeUnit.SECONDS);
    System.out.println(stringRedisTemplate.opsForValue().get(uuid));
}

如果控制台输出正常,说明基本配置已经完成,如果有错误,看错误信息然后依次排查!

2.3、重新配置 RedisTemplate 的序列化策略

SpringBoot 为我们提供了一个高度封装的 RedisTemplate​类来操作 redis​的各个命令,开发者无需关心具体的客户端 api 问题,通过 RedisTemplate​提供的方法,就可以操作 redis,方便开发者可以无成本替换 java 客户端。

当我们存储对象的时候,RedisTemplate 默认采用的是 Jdk 提供的序列化工具库,该工具有个要求,缓存的对象必须显式实现序列化接口,才能保存。

通常情况下,我们会自定义 RedisTemplate​的序列化策略,采用 Jackson​将对象转成 json​,查询的时候将 json 转成对象。

具体实现如下:

@Configuration
public class RedisTemplateConfig {

    /**
     * 默认是 JDK 的序列化策略,这里配置 redisTemplate 采用的是 Jackson2JsonRedisSerializer 的序列化策略
     * @param factory
     * @return
     */
    @Bean
    public RedisTemplate redisTemplate(RedisConnectionFactory factory){
        // 使用 Jackson2JsonRedisSerializer 来序列化和反序列化 redis 的 value 值(默认使用 JDK 的序列化方式)Jackson2JsonRedisSerializer jacksonSeial = new Jackson2JsonRedisSerializer(Object.class);

        // 使用 Jackson 序列号对象
        ObjectMapper objectMapper = new ObjectMapper();
        // 指定要序列化的域,field,get 和 set, 以及修饰符范围,ANY 是都有包括 private 和 public
        objectMapper.setVisibility(PropertyAccessor.ALL,JsonAutoDetect.Visibility.ANY);
        // 指定序列化输入的类型,类必须是非 final 修饰的,final 修饰的类,比如 String,Integer 等会抛出异常
        objectMapper.enableDefaultTyping(ObjectMapper.DefaultTyping.NON_FINAL);
        jacksonSeial.setObjectMapper(objectMapper);

        // 使用 RedisTemplate 对象
        RedisTemplate template = new RedisTemplate();
        // 配置连接工厂
        template.setConnectionFactory(factory);
        // 使用 StringRedisSerializer 来序列化和反序列化 redis 的 key 值
        template.setKeySerializer(new StringRedisSerializer());
        // 值采用 json 序列化
        template.setValueSerializer(jacksonSeial);
        // 使用 StringRedisSerializer 来序列化和反序列化 redis 的 hash-key 值
        template.setHashKeySerializer(new StringRedisSerializer());
        // 值采用 json 序列化
        template.setHashValueSerializer(jacksonSeial);

        // 执行后续方法
        template.afterPropertiesSet();
        return template;
    }
}
2.4、RedisTemplate 使用介绍

我们知道,redis 提供的数据结构很丰富,支持字符串、哈希表、列表、集合、有序集合等数据类型的存储,RedisTemplate 对这五种数据结构分别定义了不同的操作类,具体如下:

  • ValueOperations​:操作最简单的 K - V 数据
  • ListOperations​:操作 list 类型的数据
  • HashOperations​:操作 hash 类型的数据
  • SetOperations​:操作 set 类型的数据
  • ZSetOperations​:操作 zset 类型的数据
  • 相关的 api 操作如下!

    2.4.1、操作字符串的 api
    @RunWith(SpringJUnit4ClassRunner.class)
    @SpringBootTest(classes = RedisApplication.class)
    public class RedisTest {
    
        @Autowired
        private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;
    
        @Test
        public void test() throws Exception {
            // 设置值,默认不过期
            stringRedisTemplate.opsForValue().set("userName", "张三");
    
            // 获取值
            String value = stringRedisTemplate.opsForValue().get("userName");
            System.out.println("获取 userName 对应的值:" +  value);
    
            // 设置值并且设置 2 秒过期时间,过期之后自动删除
            stringRedisTemplate.opsForValue().set("email", "123@123.com", 2, TimeUnit.SECONDS);
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println("获取 email 过期时间(单位秒):" + stringRedisTemplate.getExpire("email"));
            System.out.println("获取 email 对应的值:" +  stringRedisTemplate.opsForValue().get("email"));
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println("获取 email 对应的值:" +  stringRedisTemplate.opsForValue().get("email"));
    
            // 删除 key
            Boolean result = stringRedisTemplate.delete("userName");
            System.out.println("删除 userName 结果:" +  result);
        }
    }
    2.4.2、操作对象的 api
    public class UserVo {
    
        private String email;
    
        private String name;
    
        public String getEmail(){return email;}
    
        public void setEmail(String email){this.email = email;}
    
        public String getName(){return name;}
    
        public void setName(String name){this.name = name;}
    
        public UserVo(String email, String name){
            this.email = email;
            this.name = name;
        }
    
        public UserVo(){}
    
        @Override
        public String toString(){
            return "UserVo{" +
                    "email='" + email + '\'' +
                    ", name='" + name + '\'' +
                    '}';
        }
    }
    
    @Autowired
    private RedisTemplate redisTemplate;
    
    @Test
    public void test() throws Exception {
        // 设置对象值,并且 2 秒自动过期
        ValueOperations operations = redisTemplate.opsForValue();
        UserVo user = new UserVo("aa@126.com", "张三");
        operations.set("user", user, 2, TimeUnit.SECONDS);
    
        // 获取对象值
        UserVo userVo = operations.get("user");
        System.out.println(userVo.toString());
        System.out.println("获取 user 过期时间(单位秒):" + redisTemplate.getExpire("user"));
    
    
        // 删除 key
        Boolean deleteValue = redisTemplate.delete("user");
        System.out.println("删除 userName 结果:" +  deleteValue);
    }
    2.4.3、操作列表的 api
    @Autowired
    private RedisTemplate redisTemplate;
    
    @Test
    public void test() throws Exception {
        // 向列表中添加数据
        ListOperations operations = redisTemplate.opsForList();
        // 往 List 左侧插入一个元素
        operations.leftPush("userList", new UserVo("aa@126.com", "张三"));
        operations.leftPush("userList", new UserVo("bb@126.com", "里斯"));
        // 往 List 右侧插入一个元素
        operations.rightPush("userList", new UserVo("cc@126.com", "王五"));
        operations.rightPush("userList", new UserVo("dd@126.com", "赵六"));
        // 获取 List 大小
        Long size = operations.size("userList");
        System.out.println("获取列表总数:" + size);
        // 遍历整个 List
        List allUserVo1 = operations.range("userList", 0, size);
        System.out.println("遍历列表所有数据:" + JacksonUtils.toJson(allUserVo1));
        // 遍历整个 List,- 1 表示倒数第一个即最后一个
        List allUserVo2 = operations.range("userList", 0, -1);
        System.out.println("遍历列表所有数据:" + JacksonUtils.toJson(allUserVo2));
        // 从 List 左侧取出第一个元素,并移除
        Object userVo1 = operations.leftPop("userList", 200, TimeUnit.MILLISECONDS);
        System.out.println("从左侧取出第一个元素并移除:" + userVo1.toString());
        // 从 List 右侧取出第一个元素,并移除
        Object userVo2 = operations.rightPop("userList", 200, TimeUnit.MILLISECONDS);
        System.out.println("从右侧取出第一个元素并移除:" + userVo2.toString());
    
    }
    2.4.4、操作哈希的 api
    @Autowired
    private RedisTemplate redisTemplate;
    
    @Test
    public void test() throws Exception {
        // 向 hash 中添加数据
        HashOperations operations = redisTemplate.opsForHash();
        //Hash 中新增元素。operations.put("score", "张三", 2);
        operations.put("score", "里斯", 1);
        operations.put("score", "王五", 3);
        operations.put("score", "赵六", 4);
    
        Boolean hasKey = operations.hasKey("score", "张三");
        System.out.println("检查是否存在【score】【张三】:" + hasKey);
        Integer value = operations.get("score", "张三");
        System.out.println("获取【score】【张三】的值:" + value);
        Set keys = operations.keys("score");
        System.out.println("获取 hash 表【score】所有的 key 集合:" + JacksonUtils.toJson(keys));
        List values = operations.values("score");
        System.out.println("获取 hash 表【score】所有的 value 集合:" + JacksonUtils.toJson(values));
        Map map = operations.entries("score");
        System.out.println("获取 hash 表【score】下的 map 数据:" + JacksonUtils.toJson(map));
        Long delete = operations.delete("score", "里斯");
        System.out.println("删除【score】中 key 为【里斯】的数据:" + delete);
        Boolean result = redisTemplate.delete("score");
        System.out.println("删除整个 key:" + result);
    
    }
    2.4.5、操作集合的 api
    @Autowired
    private RedisTemplate redisTemplate;
    
    @Test
    public void test() throws Exception {
        // 向集合中添加数据
        SetOperations operations = redisTemplate.opsForSet();
        // 向集合中添加元素,set 元素具有唯一性
        operations.add("city", "北京","上海", "广州", "深圳", "武汉");
        Long size = operations.size("city");
        System.out.println("获取集合总数:" + size);
        // 判断是否是集合中的元素
        Boolean isMember = operations.isMember("city", "广州");
        System.out.println("检查集合中是否存在指定元素:" + isMember);
        Set cityNames = operations.members("city");
        System.out.println("获取集合所有元素:" + JacksonUtils.toJson(cityNames));
        Long remove = operations.remove("city", "广州");
        System.out.println("删除指定元素结果:" + remove);
        // 移除并返回集合中的一个随机元素
        String cityName = operations.pop("city");
        System.out.println("移除并返回集合中的一个随机元素:" + cityName);
    }
    2.4.6、操作有序集合的 api
    @Autowired
    private RedisTemplate redisTemplate;
    
    @Test
    public void test() throws Exception {
        // 向有序集合中添加数据
        ZSetOperations operations = redisTemplate.opsForZSet();
        // 向有序集合中添加元素,set 元素具有唯一性
        operations.add("cityName", "北京", 100);
        operations.add("cityName", "上海", 95);
        operations.add("cityName", "广州", 75);
        operations.add("cityName", "深圳", 85);
        operations.add("cityName", "武汉", 70);
    
        // 获取变量指定区间的元素。0, - 1 表示全部
        Set ranges = operations.range("cityName", 0, -1);
        System.out.println("获取有序集合所有元素:" + JacksonUtils.toJson(ranges));
        Set byScores = operations.rangeByScore("cityName", 85, 100);
        System.out.println("获取有序集合所有元素(按分数从小到大):"+ JacksonUtils.toJson(byScores));
        Long zCard = operations.zCard("cityName");
        System.out.println("获取有序集合成员数:" + zCard);
        Long remove = operations.remove("cityName", "武汉");
        System.out.println("删除某个成员数结果:" + remove);
    
    }
    2.4.7、操作分布锁相关的 api
    @Autowired
    private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;
    
    
    @Test
    public void test(){
        // 分布式自增 ID
        for (int i = 0; i  redisScript = new DefaultRedisScript(luaScript, Long.class);
        Long result = stringRedisTemplate.execute(redisScript, Collections.singletonList(key), value, String.valueOf(expire));
        return result.equals(Long.valueOf(1));
    }
    
    
    /**
     * 释放锁
     * @param key
     * @param value
     * @return
     */
    public boolean releaseLock(String key,String value){String luaScript = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
        RedisScript redisScript = new DefaultRedisScript(luaScript, Long.class);
        Long result = stringRedisTemplate.execute(redisScript, Collections.singletonList(key),value);
        return result.equals(Long.valueOf(1));
    }
    2.5、如果要换成 jedis,如果更换?

    从 SpringBoot 2.x 开始,spring-boot-starter-data-redis​默认集成的客户端是 Lettuce​,但是有的项目使用了 Jedis 依赖包相关的代码,如何无缝替换呢?

    在 pom.xml​文件中,添加 Jedis 依赖包,排除相关的包即可,示例代码如下:

    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
        <exclusions>
            <exclusion>
                <groupId>redis.clients</groupId>
                <artifactId>jedis</artifactId>
            </exclusion>
            <exclusion>
                <artifactId>lettuce-core</artifactId>
                <groupId>io.lettuce</groupId>
            </exclusion>
        </exclusions>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>redis.clients</groupId>
        <artifactId>jedis</artifactId>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.apache.commons</groupId>
        <artifactId>commons-pool2</artifactId>
    </dependency>

      最后,在 application.properties​中,添加 jedis 相关配置,内容如下:

      # Redis 数据库索引(默认为 0)spring.redis.database=1
      # Redis 服务器地址
      spring.redis.host=127.0.0.1
      # Redis 服务器连接端口
      spring.redis.port=6379
      # Redis 服务器连接密码(默认为空)spring.redis.password=
      # Redis 服务器连接超时配置
      spring.redis.timeout=1000
      
      # 连接池配置
      spring.redis.jedis.pool.max-active=8
      spring.redis.jedis.pool.max-wait=1000
      spring.redis.jedis.pool.max-idle=8
      spring.redis.jedis.pool.min-idle=0
      spring.redis.jedis.pool.time-between-eviction-runs=100
      2.6、手动封装一个分布式锁实现类

      默认情况下,无论是 Jedis​还是 Lettuce​,都没有为我们提供 redis​分布式锁的实现,因此我们自己进行封装,当然你也可以直接添加 Redisson 包,里面也提供了分布式锁实现的相关 API。

      如果当前 redis 是单机环境,或者哨兵模式,我们完全可以自行封装一个分布式锁实现类,具体代码如下:

      import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
      import org.springframework.data.redis.core.StringRedisTemplate;
      import org.springframework.data.redis.core.script.DefaultRedisScript;
      import org.springframework.data.redis.core.script.RedisScript;
      import org.springframework.stereotype.Component;
      
      import java.time.Duration;
      import java.util.Collections;
      
      /**
       * redis 分布式锁服务类
       * 采用 LUA 脚本实现,保证加锁、解锁操作原子性
       */
      @Component
      public class RedisLockService {
      
          /**
           * 分布式锁过期时间,单位秒
           */
          private static final Long DEFAULT_LOCK_EXPIRE_TIME = 60L;
      
          @Autowired
          private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;
      
          /**
           * 尝试在指定时间内加锁
           * @param key
           * @param value
           * @param timeout 锁等待时间
           * @return
           */
          public boolean tryLock(String key,String value, Duration timeout){long waitMills = timeout.toMillis();
              long currentTimeMillis = System.currentTimeMillis();
              do {boolean lock = lock(key, value, DEFAULT_LOCK_EXPIRE_TIME);
                  if (lock) {return true;}
                  try {Thread.sleep(1L);
                  } catch (InterruptedException e) {Thread.interrupted();
                  }
              } while (System.currentTimeMillis()  redisScript = new DefaultRedisScript(luaScript, Long.class);
              Long result = stringRedisTemplate.execute(redisScript, Collections.singletonList(key), value, String.valueOf(expire));
              return result.equals(Long.valueOf(1));
          }
      
      
          /**
           * 释放锁
           * @param key
           * @param value
           * @return
           */
          public boolean releaseLock(String key,String value){String luaScript = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
              RedisScript redisScript = new DefaultRedisScript(luaScript, Long.class);
              Long result = stringRedisTemplate.execute(redisScript, Collections.singletonList(key),value);
              return result.equals(Long.valueOf(1));
          }
      }
      三、关于 key 的设计

      通常情况下,我们对 key​采用如下方式进行设计,以便与其他项目中的 key 错开,避免发生冲突!

       固定前缀: 项目名: 数据库名: 表名: 字段名: 具体的值 

      其次,无论什么时候,只要有可能就利用 key​超时的优势,尽可能避免数据永久存储,因为一旦所有的 key​都永久存储,大量无效的 key,会服务器资源非常严重不足,甚至不可用!

      四、小结

      本文主要围绕在 SpringBoot 项目中,如何集成 redis 并正确使用进行了简单的分享,内容难免有缺漏,欢迎网友留言指出!

      五、参考

      1、博客园 – 卡斯特梅的雨伞 – springboot 中 RedisTemplate 的使用

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      正文完
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      星锅
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