Redis如何实现分布式锁？

2021-10-18 22:44:45

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前言

如果在一个分布式系统中，我们从数据库中读取一个数据，然后修改保存，这种情况很容易遇到并发问题。因为读取和更新保存不是一个原子操作，在并发时就会导致数据的不正确。这种场景其实并不少见，比如电商秒杀活动，库存数量的更新就会遇到。如果是单机应用，直接使用本地锁就可以避免。如果是分布式应用，本地锁派不上用场，这时就需要引入分布式锁来解决。

由此可见分布式锁的目的其实很简单，就是为了保证多台服务器在执行某一段代码时保证只有一台服务器执行。

为了保证分布式锁的可用性，至少要确保锁的实现要同时满足以下几点：

互斥性。在任何时刻，保证只有一个客户端持有锁。
不能出现死锁。如果在一个客户端持有锁的期间，这个客户端崩溃了，也要保证后续的其他客户端可以上锁。
保证上锁和解锁都是同一个客户端。

一般来说，实现分布式锁的方式有以下几种：

使用MySQL，基于唯一索引。
使用ZooKeeper，基于临时有序节点。
使用Redis，基于setnx命令。

本篇文章主要讲解Redis的实现方式。

实现思路

Redis实现分布式锁主要利用Redis的setnx命令。setnx是SET if not exists(如果不存在，则 SET)的简写。

127.0.0.1:6379> setnx lock value1 #在键lock不存在的情况下，将键key的值设置为value1
(integer) 1
127.0.0.1:6379> setnx lock value2 #试图覆盖lock的值，返回0表示失败
(integer) 0
127.0.0.1:6379> get lock #获取lock的值，验证没有被覆盖
"value1"
127.0.0.1:6379> del lock #删除lock的值，删除成功
(integer) 1
127.0.0.1:6379> setnx lock value2 #再使用setnx命令设置，返回0表示成功
(integer) 1
127.0.0.1:6379> get lock #获取lock的值，验证设置成功
"value2"

上面这几个命令就是最基本的用来完成分布式锁的命令。

加锁：使用setnx key value命令，如果key不存在，设置value(加锁成功)。如果已经存在lock(也就是有客户端持有锁了)，则设置失败(加锁失败)。

解锁：使用del命令，通过删除键值释放锁。释放锁之后，其他客户端可以通过setnx命令进行加锁。

key的值可以根据业务设置，比如是用户中心使用的，可以命令为USER_REDIS_LOCK，value可以使用uuid保证唯一，用于标识加锁的客户端。保证加锁和解锁都是同一个客户端。

那么接下来就可以写一段很简单的加锁代码：

private static Jedis jedis = new Jedis("127.0.0.1");

private static final Long SUCCESS = 1L;

/**
  * 加锁
  */
public boolean tryLock(String key, String requestId) {
    //使用setnx命令。
    //不存在则保存返回1，加锁成功。如果已经存在则返回0，加锁失败。
    return SUCCESS.equals(jedis.setnx(key, requestId));
}

//删除key的lua脚本，先比较requestId是否相等，相等则删除
private static final String DEL_SCRIPT = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";

/**
  * 解锁
  */
public boolean unLock(String key, String requestId) {
    //删除成功表示解锁成功
    Long result = (Long) jedis.eval(DEL_SCRIPT, Collections.singletonList(key), Collections.singletonList(requestId));
    return SUCCESS.equals(result);
}

问题一

这仅仅满足上述的第一个条件和第三个条件，保证上锁和解锁都是同一个客户端，也保证只有一个客户端持有锁。

但是第二点没法保证，因为如果一个客户端持有锁的期间突然崩溃了，就会导致无法解锁，最后导致出现死锁的现象。

所以要有个超时的机制，在设置key的值时，需要加上有效时间，如果有效时间过期了，就会自动失效，就不会出现死锁。然后加锁的代码就会变成这样。

public boolean tryLock(String key, String requestId, int expireTime) {
    //使用jedis的api，保证原子性
    //NX 不存在则操作 EX 设置有效期，单位是秒
    String result = jedis.set(key, requestId, "NX", "EX", expireTime);
    //返回OK则表示加锁成功
    return "OK".equals(result);
}

但是聪明的同学肯定会问，有效时间设置多长，假如我的业务操作比有效时间长，我的业务代码还没执行完就自动给我解锁了，不就完蛋了吗。

这个问题就有点棘手了，在网上也有很多讨论，第一种解决方法就是靠程序员自己去把握，预估一下业务代码需要执行的时间，然后设置有效期时间比执行时间长一些，保证不会因为自动解锁影响到客户端业务代码的执行。

但是这并不是万全之策，比如网络抖动这种情况是无法预测的，也有可能导致业务代码执行的时间变长，所以并不安全。

有一种方法比较靠谱一点，就是给锁续期。在Redisson框架实现分布式锁的思路，就使用watchDog机制实现锁的续期。当加锁成功后，同时开启守护线程，默认有效期是30秒，每隔10秒就会给锁续期到30秒，只要持有锁的客户端没有宕机，就能保证一直持有锁，直到业务代码执行完毕由客户端自己解锁，如果宕机了自然就在有效期失效后自动解锁。

问题二

但是聪明的同学可能又会问，你这个锁只能加一次，不可重入。可重入锁意思是在外层使用锁之后，内层仍然可以使用，那么可重入锁的实现思路又是怎么样的呢？

在Redisson实现可重入锁的思路，使用Redis的哈希表存储可重入次数，当加锁成功后，使用hset命令，value(重入次数)则是1。

"if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then " +
"redis.call('hset', KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
"redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +
"return nil; " +
"end; "

如果同一个客户端再次加锁成功，则使用hincrby自增加一。

"if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then " +
"redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
"redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +
"return nil; " +
"end; " +
"return redis.call('pttl', KEYS[1]);"

解锁时，先判断可重复次数是否大于0，大于0则减一，否则删除键值，释放锁资源。

protected RFuture<Boolean> unlockInnerAsync(long threadId) {
    return commandExecutor.evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, RedisCommands.EVAL_BOOLEAN,
"if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[3]) == 0) then " +
"return nil;" +
"end; " +
"local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[3], -1); " +
"if (counter > 0) then " +
"redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]); " +
"return 0; " +
"else " +
"redis.call('del', KEYS[1]); " +
"redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); " +
"return 1; "+
"end; " +
"return nil;",
Arrays.<Object>asList(getName(), getChannelName()), LockPubSub.UNLOCK_MESSAGE, internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));
}

为了保证操作原子性，加锁和解锁操作都是使用lua脚本执行。

问题三

上面的加锁方法是加锁后立即返回加锁结果，如果加锁失败的情况下，总不可能一直轮询尝试加锁，直到加锁成功为止，这样太过耗费性能。所以需要利用发布订阅的机制进行优化。

步骤如下：

当加锁失败后，订阅锁释放的消息，自身进入阻塞状态。

当持有锁的客户端释放锁的时候，发布锁释放的消息。

当进入阻塞等待的其他客户端收到锁释放的消息后，解除阻塞等待状态，再次尝试加锁。

总结

以上的实现思路仅仅考虑在单机版Redis上，如果是集群版Redis需要考虑的问题还要再多一点。Redis由于他的高性能读写能力，所以在并发高的场景下使用Redis分布式锁会多一点。

问题一，二，三其实就是redis分布式锁不断改良发展的过程，第一个问题是设置有效期防止死锁，并且引入守护线程给锁续期，第二个问题是支持可重入锁，第三个问题是加锁失败后阻塞等待，等锁释放后再次尝试加锁。Redisson框架解决这三个问题的思路也非常值得学习。

这篇文章就写到这里了，非常感谢大家的阅读，希望看完之后能得到一些启发和收获。

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问题一

问题二

问题三

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