Redis应用篇（众星追月）：分布式锁

作者： 小龙coding 2021-10-26 19:37:15

存储

存储软件

分布式

Redis 由于分布式系统「多线程」、「多进程」并且「分布在不同机器」上，这将使原单机并发控制锁策略失效，为了解决这个问题就需要一种「跨JVM的互斥机制」来控制共享资源的访问，这就得靠分布式锁啦。

[[431326]]

话题引入

大家好，我是小龙。

之前在《吃透Redis系列》专栏发表了第一篇文章《Redis基础篇(万丈高楼平地起)：核心底层数据结构》简单介绍了Redis，以及它的内部组织形式、核心数据结构与大致使用场景。还没看到得同学可以回过头看看。

接下来，我将继续带大家深入理解，本文将介绍Redis高频使用的一个场景——「利用Redis实习分布式锁」。

想必大家都知道，在遇到并发问题时，我们通常会使用锁来解决并发问题。

这是，有同学可能说：“这个我会，不就用synchronized、Lock这些实现吗?”

对，你说的不错。但是你只说对了一半，在「传统单机部署」的情况下，可以使用Java并发处理相关的API(如ReentrantLcok或synchronized)进行互斥控制。

但是在「分布式系统」中，由于分布式系统「多线程」、「多进程」并且「分布在不同机器」上，这将使原单机并发控制锁策略失效，为了解决这个问题就需要一种「跨JVM的互斥机制」来控制共享资源的访问，这就得靠分布式锁啦。

看透锁本质

在我看来：所有的锁本身都可以用一个变量来表示。

比如：在「单机上运行」的多线程程序来说。取一个变量，变量为0时，表示没有线程获取锁;变量为1时，表示已经有线程获取锁。

加锁：线程调用加锁操作，检查变量是否为0，如果为0，表示没线程获取锁，将变量设置为1，表示获取锁;如果不是0，表示其他线程已经暂用锁，获取锁失败。

解锁：同理。

而分布式环境下，同样可以以变量形式理解分布式锁。

但是，和线程在单机上操作锁不同的是，在分布式场景下，「锁变量需要由一个共享存储系统来维护」，只有这样，多个客户端才可以通过访问共享存储系统来访问锁变量。相应的，「加锁和释放锁的操作就变成了读取、判断和设置共享存储系统中的锁变量值」。

「可见，满足分布式锁的要求」：

• 「锁操作原子性」：分布式锁的加锁和释放锁的过程，涉及多个操作。所以，在实现分布式锁时，我们需要保证这些「锁操作的原子性」;
• 「锁的可靠性」：共享存储系统保存了锁变量，如果共享存储系统发生故障或宕机，那么客户端也就无法进行锁操作了。在实现分布式锁时，我们需要考虑保证「共享存储系统的可靠性」，进而保证「锁的可靠性」。

上面我们提到了可以使用一个锁变量来表示锁，其实你也可以理解为「占位」。只不过分布式锁需要把这个坑位拿出来放于「共享」的地方，每个都从「共享处来检查坑位」。

占位一般是使用 setnx(set if not exists) 指令，只允许被一个客户端占位。先来先占， 用完了，再调用 del 指令释放茅坑。

//加锁 
> setnx lock_key 1 
OK 
//业务逻辑 
>(其他操作) 
//释放锁 
> del lock_key 

但是有个问题，如果逻辑执行到中间出现异常了，可能会导致 del 指令没有被调用，这样就会「陷入死锁」，锁永远得不到释放。

于是我们在拿到锁之后，再给锁加上一个过期时间，这样即使中间出现异常也可以保证指定时间之后锁会自动释放。

//加锁 
> setnx lock_key 1 
OK 
> expire lock_key 5 
//业务逻辑 
>(其他操作) 
//释放锁 
> del lock_key 

但是以上逻辑还有问题。如果在 setnx 和 expire 之间服务器进程突然挂掉了，可能是因为机器掉电或者是被人为杀掉的，就会导致 expire 得不到执行，也会造成死锁。

这种问题的根源就在于 setnx 和 expire 是两条指令而不是原子指令。你也许会想到使用事务什么的执行，但是这里不行，因为如果 setnx 没抢到锁，expire 是不应该执行的。

Redis 2.8 版本中作者加入了 set 指令的扩展参数，使得 setnx 和expire 指令可以一起执行，彻底解决了分布式锁的乱象。

set key value [EX seconds | PX milliseconds] [NX] 

除了上述基本常规的问题，还有这些「你可能没考虑到的问题」：

超时问题

Redis 的分布式锁不能解决超时问题，如果在加锁和释放锁间的业务逻辑执行时间太长，以至于超出了锁的超时限制，就会出现问题(也就是锁过期了，你的业务逻辑还没执行完)。

因为这时候锁过期了，第二个客户端B重新持有了这把锁，但是紧接着客户端A执行完了业务逻辑，就把锁给释放了，客户端C就会在客户端B逻辑执行完之间拿到了锁。为了避免这个问题，Redis 分布式锁不要用于较长时间的任务。

为了应对这个问题，我们需要能区分来自不同客户端的锁操作，具体咋做呢 ? 针对于这个问题，我们可以想办法把命令略加点小技巧。可以在锁变量的值上想想办法。

在使用SETNX命令进行加锁的方法中，我们通过把锁变量值设置为1或0，表示是否加锁成功。1和0只有两种状态，无法表示究竟是哪个客户端进行的锁操作。

所以，我们在加锁操作时，可以「让每个客户端给锁变量设置一个唯一值」，这里的唯一值就可以用来标识当前操作的客户端。

在释放锁操作时，客户端需要判断，当前「锁变量的值是否和自己的唯一标识相等」，只有在相等的情况下，才能释放锁。这样一来，就不会出现误释放锁的问题了。

于是，我们的命令可以这样写：

//加锁,unique_value作为客户端唯—性的标识 
SET lock_key unique_value NX PX 5000 

其中，unique_value 是客户端的唯一标识，可以用一个随机生成的字符串来表示，PX 5000则表示 lock_key会在5s后过期，以免客户端在这期间发生异常而无法释放锁。

因为在加锁操作中，每个客户端都使用了一个唯一标识，所以在「释放锁操作」时，我们需要「判断锁变量的值」，是否等于执行释放锁操作的客户端的唯一标识，如下所示，可以使用Lua脚本来保证原子性:

//释放锁比较unique_value是否相等，避免误释放 
if redis.call("get" ,KEYS[1])== ARGV[1] then 
 return redis.call("del" , KEYS[1]) 
else 
 return 0 
end 

可重入性

可重入性是指线程在持有锁的情况下再次请求加锁，如果一个锁支持同一个线程的多次加锁，那么这个锁就是可重入的。比如 Java 语言里有个 ReentrantLock 就是可重入锁。

Redis 分布式锁如果要支持可重入，可以对客户端的 set 方法进行包装，使用线程的 Threadlocal 变量存储当前持有锁的计数。

此处就不过多介绍，大抵不会问，有兴趣可以自己上网查阅看书。

课外补充

上述内容，是个基于单个Redis节点实现分布式锁。

当我们要实现「高可靠的分布式锁」时，就不能只依赖单个的命令操作了，我们需要按照一定的步骤和规则进行加解锁操作，否则，就可能会出现锁无法工作的情况。“一定的步骤和规则”是指啥呢?其实就是分布式锁的算法。

这里简单介绍Redlock算法的执行步骤。Redlock算法的实现需要有N个独立的Redis实例。接下来，我们可以分成3步来完成加锁操作。

1、客户端获取当前时间

2、客户端按照顺序在每个Master实例中尝试获得锁。在获得锁的过程中，为每一个锁操作设置一个快速失败时间(如果想要获得一个10秒的锁，那么每一个锁操作的失败时间设为5-50ms)。

这样可以避免客户端与一个已经故障的Master通信占用太长时间，通过快速失败的方式尽快的与集群中的其他节点完成锁操作。

3、客户端计算出与master获得锁操作过程中消耗的时间，「当且仅当Client获得锁消耗的时间小于锁的存活时间，并且在一半以上的master节点中获得锁」。才认为client成功的获得了锁。

4、如果已经获得了锁，「Client执行任务的时间窗口是锁的存活时间减去获得锁消耗的时间。」

5、如果Client获得锁的数量不足一半以上，或获得锁的时间超时，那么认为获得锁失败。客户端「需要尝试在所有的master节点中释放锁， 即使在第二步中没有成功获得该Master节点中的锁，仍要进行释放操作。」