Redis实现分布式锁的2种方式

Redis实现分布式锁

1、普通实现

  关于Redis分布式锁大部分人都会想到：setnx+lua，或者知道set key value px milliseconds nx。后一种方式的核心实现命令如下：

- 获取锁（unique_value可以是UUID等）
SET resource_name unique_value NX PX 30000

\- 释放锁（lua脚本中，一定要比较value，防止误解锁）
if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
  return redis.call("del",KEYS[1])
else
  return 0
end

1.1、这种实现方式有3大要点

  1. set命令要用set key value px milliseconds nx；
  2. value要具有唯一性；
  3. 释放锁时要验证value值，不能误解锁；

1.2、setnx实现分布式锁的缺点

  事实上这类琐最大的缺点就是它加锁时只作用在一个Redis节点上，即使Redis通过sentinel保证高可用，如果这个master节点由于某些原因发生了主从切换，那么就会出现锁丢失的情况：

  1. 客户端A在master节点拿到了锁。
  2. master节点在把A创建的key写入slave之前宕机了。(加锁的key还没有同步到slave节点)
  3. slave变成了master节点
  4. B也得到了和A还持有的相同的锁（因为原来的slave里还没有A持有锁的信息）

  正因为如此，Redis作者antirez基于分布式环境下提出了一种更高级的分布式锁的实现方式：Redlock。笔者认为，Redlock也是Redis所有分布式锁实现方式中唯一能让面试官高潮的方式。

2、Redlock实现

多加几个master，一般5个就够了。

  1. 保证 客户端请求获得锁的个数 > N/2 + 1 这里是3
  2. 保证 设置的超时时间 > 请求N个master获取锁时间的总和。

2.1、红锁实现思路

antirez提出的（红锁）redlock算法大概是这样的：

在Redis的分布式环境中，我们假设有N个Redis master。

  这些节点完全互相独立，不存在主从复制或者其他集群协调机制。我们确保将在N个实例上使用与在Redis单实例下相同方法获取和释放锁。现在我们假设有5个Redis master节点，同时我们需要在5台服务器上面运行这些Redis实例，这样保证他们不会同时都宕掉。

为了取到锁，客户端应该执行以下操作:

  1. 获取当前Unix时间，以毫秒为单位。

  2. 依次尝试从5个实例，使用相同的key和具有唯一性的value（例如UUID）获取锁。当向Redis请求获取锁时，客户端应该设置一个网络连接和响应超时时间，这个超时时间应该小于锁的失效时间。

   例如，你的锁自动失效时间为10秒，则超时时间应该在5-50毫秒之间。这样可以避免服务器端Redis已经挂掉的情况下，客户端还在死死地等待响应结果。
   
   如果服务器端没有在规定时间内响应，客户端应该尽快尝试去另外一个Redis实例请求获取锁。

  1. 客户端使用当前时间减去开始获取锁时间（步骤1记录的时间）就得到获取锁使用的时间。当且仅当从大多数（N/2+1，这里是3个节点）的Redis节点都取到锁，并且使用的时间小于锁失效时间时，锁才算获取成功。

  2. 如果取到了锁，key的真正有效时间等于有效时间减去获取锁所使用的时间（步骤3计算的结果）。

  3. 如果因为某些原因，获取锁失败（没有在至少N/2+1个Redis实例取到锁或者取锁时间已经超过了有效时间），客户端应该在所有的Redis实例上进行解锁（即便某些Redis实例根本就没有加锁成功，防止某些节点获取到锁但是客户端没有得到响应而导致接下来的一段时间不能被重新获取锁）。

2.3、RedLock存在的问题

根据上述提出的算法，当Ｎ个节点中有一个节点宕机，仍然存在锁的安全性问题。

如果有节点发生崩溃重启，还是会对锁的安全性有影响的，具体的影响跟redis的持久化程度有关

  • 假设一共有5个Redis节点：A, B, C, D, E。设想发生了如下的事件序列：
  1. 客户端1成功锁住了A, B, C，获取锁成功（但D和E没有锁住）。
  2. 节点C崩溃重启了，但客户端1在C上加的锁没有持久化下来，丢失了。
  3. 节点C重启后，客户端2锁住了C, D, E，获取锁成功。
  • 默认情况下

Redis的AOF持久化方式是每秒写一次磁盘（即执行fsync），因此最坏情况下可能丢失1秒的数据。

  • 延迟重试

为了应对这一问题，antirez又提出了延迟重启(delayed restarts)的概念。

  也就是说，一个节点崩溃后，先不立即重启它，而是等待一段时间再重启，这段时间应该大于锁的有效时间(lock validity time)。这样的话，这个节点在重启前所参与的锁都会过期，它在重启后就不会对现有的锁造成影响。

在最后释放锁的时候，antirez在算法描述中特别强调，客户端应该向所有Redis节点发起释放锁的操作。也就是说，即使当时向某个节点获取锁没有成功，在释放锁的时候也不应该漏掉这个节点。

  • 最后释放锁，要向所有节点发起释放的原因

  设想这样一种情况，客户端发给某个Redis节点的获取锁的请求成功到达了该Redis节点，这个节点也成功执行了SET操作，但是它返回给客户端的响应包却丢失了。

  这在客户端看来，获取锁的请求由于超时而失败了，但在Redis这边看来，加锁已经成功了。因此，释放锁的时候，客户端也应该对当时获取锁失败的那些Redis节点同样发起请求。实际上，这种情况在异步通信模型中是有可能发生的：客户端向服务器通信是正常的，但反方向却是有问题的。

2.3、其它问题

  1. 客户端长时间阻塞，导致获得的锁释放，访问的共享资源不受保护的问题。
  • 有两种情况会引发阻塞
1、客户端跟redis通信的问题，

2、客户端跟共享资源服务器交互延时
  1. 在Redlock的算法中，我们可以看到第３步，当获取锁耗时太多，留给客户端的访问共享资源的时间很短，这种情况若来不及操作，是不是要释放锁呢？且到底剩下多少时间才算短？这又是一个选择难题。
  2. Redlock算法对时钟依赖性太强，若Ｎ个节点中的某个节点发生时间跳跃，也可能会引此而引发锁安全性问题。

3、Redlock源码

  redisson已经有对redlock算法封装，接下来对其用法进行简单介绍，并对核心源码进行分析（假设5个redis实例）。

  • POM依赖
<!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.redisson/redisson -->
<dependency>
    <groupId>org.redisson</groupId>
    <artifactId>redisson</artifactId>
    <version>3.3.2</version>
</dependency>

3.1、用法

  首先，我们来看一下redission封装的redlock算法实现的分布式锁用法，非常简单，跟重入锁（ReentrantLock）有点类似：

Config config1 = new Config();
config1.useSingleServer().setAddress("redis://192.168.0.1:5378")
        .setPassword("a123456").setDatabase(0);
RedissonClient redissonClient1 = Redisson.create(config1);

Config config2 = new Config();
config2.useSingleServer().setAddress("redis://192.168.0.1:5379")
        .setPassword("a123456").setDatabase(0);
RedissonClient redissonClient2 = Redisson.create(config2);

Config config3 = new Config();
config3.useSingleServer().setAddress("redis://192.168.0.1:5380")
        .setPassword("a123456").setDatabase(0);
RedissonClient redissonClient3 = Redisson.create(config3);

String resourceName = "REDLOCK_KEY";

RLock lock1 = redissonClient1.getLock(resourceName);
RLock lock2 = redissonClient2.getLock(resourceName);
RLock lock3 = redissonClient3.getLock(resourceName);
// 向3个redis实例尝试加锁
RedissonRedLock redLock = new RedissonRedLock(lock1, lock2, lock3);
boolean isLock;
try {
    // isLock = redLock.tryLock();
    // 500ms拿不到锁, 就认为获取锁失败。10000ms即10s是锁失效时间。
    isLock = redLock.tryLock(500, 10000, TimeUnit.MILLISECONDS);
    System.out.println("isLock = "+isLock);
    if (isLock) {
        //TODO if get lock success, do something;
    }
} catch (Exception e) {
} finally {
    // 无论如何, 最后都要解锁
    redLock.unlock();
}

3.2、唯一ID

  实现分布式锁的一个非常重要的点就是set的value要具有唯一性，redisson的value是怎样保证value的唯一性呢？答案是UUID+threadId。入口在redissonClient.getLock("REDLOCK_KEY")，源码在Redisson.java和RedissonLock.java中：



protected final UUID id = UUID.randomUUID();
String getLockName(long threadId) {
    return id + ":" + threadId;
}

3.3、获取锁

  获取锁的代码为redLock.tryLock()或者redLock.tryLock(500, 10000, TimeUnit.MILLISECONDS)，两者的最终核心源码都是下面这段代码，只不过前者获取锁的默认续约时间（leaseTime）是LOCK_EXPIRATION_INTERVAL_SECONDS，即30s：

<T> RFuture<T> tryLockInnerAsync(long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId, RedisStrictCommand<T> command) {
    internalLockLeaseTime = unit.toMillis(leaseTime);
    // 获取锁时需要在redis实例上执行的lua命令
    return commandExecutor.evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, command,
              // 首先分布式锁的KEY不能存在，如果确实不存在，那么执行hset命令（hset REDLOCK_KEY uuid+threadId 1），并通过pexpire设置失效时间（也是锁的租约时间）
              "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; " +
              // 如果分布式锁的KEY已经存在，并且value也匹配，表示是当前线程持有的锁，那么重入次数加1，并且设置失效时间
              "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; " +
              // 获取分布式锁的KEY的失效时间毫秒数
              "return redis.call('pttl', KEYS[1]);",
              // 这三个参数分别对应KEYS[1]，ARGV[1]和ARGV[2]
                Collections.<Object>singletonList(getName()), internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));
}

  获取锁的命令中，

  • KEYS[1]就是Collections.singletonList(getName())，表示分布式锁的key，即REDLOCK_KEY；
  • ARGV[1]就是internalLockLeaseTime，即锁的租约时间，默认30s；
  • ARGV[2]就是getLockName(threadId)，是获取锁时set的唯一值，即UUID+threadId：

3.4、释放锁

  释放锁的代码为redLock.unlock()，核心源码如下：

protected RFuture<Boolean> unlockInnerAsync(long threadId) {
    // 释放锁时需要在redis实例上执行的lua命令
    return commandExecutor.evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, RedisCommands.EVAL_BOOLEAN,
            // 如果分布式锁KEY不存在，那么向channel发布一条消息
            "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then " +
                "redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); " +
                "return 1; " +
            "end;" +
            // 如果分布式锁存在，但是value不匹配，表示锁已经被占用，那么直接返回
            "if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[3]) == 0) then " +
                "return nil;" +
            "end; " +
            // 如果就是当前线程占有分布式锁，那么将重入次数减1
            "local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[3], -1); " +
            // 重入次数减1后的值如果大于0，表示分布式锁有重入过，那么只设置失效时间，还不能删除
            "if (counter > 0) then " +
                "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]); " +
                "return 0; " +
            "else " +
                // 重入次数减1后的值如果为0，表示分布式锁只获取过1次，那么删除这个KEY，并发布解锁消息
                "redis.call('del', KEYS[1]); " +
                "redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); " +
                "return 1; "+
            "end; " +
            "return nil;",
            // 这5个参数分别对应KEYS[1]，KEYS[2]，ARGV[1]，ARGV[2]和ARGV[3]
            Arrays.<Object>asList(getName(), getChannelName()), LockPubSub.unlockMessage, internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));

}
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