七種方案！探討Redis分佈式鎖的正確使用姿勢

前言

日常開發中，秒殺下單、搶紅包等等業務場景，都需要用到分佈式鎖。而Redis非常適合作為分佈式鎖使用。本文將分七個方案展開，跟大家探討Redis分佈式鎖的正確使用方式。如果有不正確的地方，歡迎大家指出哈，一起學習一起進步。

公眾號：撿田螺的小男孩

  • 什麼是分佈式鎖
  • 方案一：SETNX + EXPIRE
  • 方案二：SETNX + value值是（系統時間+過期時間）
  • 方案三：使用Lua腳本(包含SETNX + EXPIRE兩條指令)
  • 方案四：SET的擴展命令（SET EX PX NX）
  • 方案五：SET EX PX NX + 校驗唯一隨機值,再刪除釋放
  • 方案六: 開源框架:Redisson
  • 方案七：多機實現的分佈式鎖Redlock

什麼是分佈式鎖

分佈式鎖其實就是，控制分佈式系統不同進程共同訪問共享資源的一種鎖的實現。如果不同的系統或同一個系統的不同主機之間共享了某個臨界資源，往往需要互斥來防止彼此干擾，以保證一致性。

我們先來看下，一把靠譜的分佈式鎖應該有哪些特徵：

  • 互斥性: 任意時刻，只有一個客戶端能持有鎖。
  • 鎖超時釋放：持有鎖超時，可以釋放，防止不必要的資源浪費，也可以防止死鎖。
  • 可重入性:一個線程如果獲取了鎖之後,可以再次對其請求加鎖。
  • 高性能和高可用：加鎖和解鎖需要開銷儘可能低，同時也要保證高可用，避免分佈式鎖失效。
  • 安全性：鎖只能被持有的客戶端刪除，不能被其他客戶端刪除

Redis分佈式鎖方案一：SETNX + EXPIRE

提到Redis的分佈式鎖，很多小夥伴馬上就會想到setnx+ expire命令。即先用setnx來搶鎖，如果搶到之後，再用expire給鎖設置一個過期時間，防止鎖忘記了釋放。

SETNX 是SET IF NOT EXISTS的簡寫.日常命令格式是SETNX key value，如果 key不存在，則SETNX成功返回1，如果這個key已經存在了，則返回0。

假設某電商網站的某商品做秒殺活動，key可以設置為key_resource_id,value設置任意值，偽代碼如下：

if（jedis.setnx(key_resource_id,lock_value) == 1）{ //加鎖
    expire（key_resource_id，100）; //設置過期時間
    try {
        do something  //業務請求
    }catch(){
　　}
　　finally {
       jedis.del(key_resource_id); //釋放鎖
    }
}

但是這個方案中，setnx和expire兩個命令分開了，不是原子操作。如果執行完setnx加鎖，正要執行expire設置過期時間時，進程crash或者要重啟維護了，那麼這個鎖就「長生不老」了，別的線程永遠獲取不到鎖啦。

Redis分佈式鎖方案二：SETNX + value值是(系統時間+過期時間)

為了解決方案一，發生異常鎖得不到釋放的場景，有小夥伴認為，可以把過期時間放到setnx的value值裏面。如果加鎖失敗，再拿出value值校驗一下即可。加鎖代碼如下：

long expires = System.currentTimeMillis() + expireTime; //系統時間+設置的過期時間
String expiresStr = String.valueOf(expires);

// 如果當前鎖不存在，返回加鎖成功
if (jedis.setnx(key_resource_id, expiresStr) == 1) {
        return true;
} 
// 如果鎖已經存在，獲取鎖的過期時間
String currentValueStr = jedis.get(key_resource_id);

// 如果獲取到的過期時間，小於系統當前時間，表示已經過期
if (currentValueStr != null && Long.parseLong(currentValueStr) < System.currentTimeMillis()) {

     // 鎖已過期，獲取上一個鎖的過期時間，並設置現在鎖的過期時間（不了解redis的getSet命令的小夥伴，可以去官網看下哈）
    String oldValueStr = jedis.getSet(key_resource_id, expiresStr);
    
    if (oldValueStr != null && oldValueStr.equals(currentValueStr)) {
         // 考慮多線程並發的情況，只有一個線程的設置值和當前值相同，它才可以加鎖
         return true;
    }
}
        
//其他情況，均返回加鎖失敗
return false;
}

這個方案的優點是，巧妙移除expire單獨設置過期時間的操作，把過期時間放到setnx的value值裏面來。解決了方案一發生異常，鎖得不到釋放的問題。但是這個方案還有別的缺點：

  • 過期時間是客戶端自己生成的（System.currentTimeMillis()是當前系統的時間），必須要求分佈式環境下，每個客戶端的時間必須同步。
  • 如果鎖過期的時候，並發多個客戶端同時請求過來，都執行jedis.getSet()，最終只能有一個客戶端加鎖成功，但是該客戶端鎖的過期時間，可能被別的客戶端覆蓋
  • 該鎖沒有保存持有者的唯一標識，可能被別的客戶端釋放/解鎖。

Redis分佈式鎖方案三：使用Lua腳本(包含SETNX + EXPIRE兩條指令)

實際上，我們還可以使用Lua腳本來保證原子性（包含setnx和expire兩條指令），lua腳本如下：

if redis.call('setnx',KEYS[1],ARGV[1]) == 1 then
   redis.call('expire',KEYS[1],ARGV[2])
else
   return 0
end;

加鎖代碼如下：

 String lua_scripts = "if redis.call('setnx',KEYS[1],ARGV[1]) == 1 then" +
            " redis.call('expire',KEYS[1],ARGV[2]) return 1 else return 0 end";   
Object result = jedis.eval(lua_scripts, Collections.singletonList(key_resource_id), Collections.singletonList(values));
//判斷是否成功
return result.equals(1L);

這個方案，跟方案二對比，你覺得哪個更好呢？

Redis分佈式鎖方案方案四：SET的擴展命令（SET EX PX NX）

除了使用，使用Lua腳本，保證SETNX + EXPIRE兩條指令的原子性，我們還可以巧用Redis的SET指令擴展參數！（SET key value[EX seconds][PX milliseconds][NX|XX]），它也是原子性的！

SET key value[EX seconds][PX milliseconds][NX|XX]

  • NX :表示key不存在的時候，才能set成功，也即保證只有第一個客戶端請求才能獲得鎖，而其他客戶端請求只能等其釋放鎖，才能獲取。
  • EX seconds :設定key的過期時間，時間單位是秒。
  • PX milliseconds: 設定key的過期時間，單位為毫秒
  • XX: 僅當key存在時設置值

偽代碼demo如下：

if（jedis.set(key_resource_id, lock_value, "NX", "EX", 100s) == 1）{ //加鎖
    try {
        do something  //業務處理
    }catch(){
　　}
　　finally {
       jedis.del(key_resource_id); //釋放鎖
    }
}

但是呢，這個方案還是可能存在問題：

  • 問題一：鎖過期釋放了，業務還沒執行完。假設線程a獲取鎖成功，一直在執行臨界區的代碼。但是100s過去後，它還沒執行完。但是，這時候鎖已經過期了，此時線程b又請求過來。顯然線程b就可以獲得鎖成功，也開始執行臨界區的代碼。那麼問題就來了，臨界區的業務代碼都不是嚴格串行執行的啦。
  • 問題二：鎖被別的線程誤刪。假設線程a執行完後，去釋放鎖。但是它不知道當前的鎖可能是線程b持有的（線程a去釋放鎖時，有可能過期時間已經到了，此時線程b進來佔有了鎖）。那線程a就把線程b的鎖釋放掉了，但是線程b臨界區業務代碼可能都還沒執行完呢。

方案五：SET EX PX NX + 校驗唯一隨機值,再刪除

既然鎖可能被別的線程誤刪，那我們給value值設置一個標記當前線程唯一的隨機數，在刪除的時候，校驗一下，不就OK了嘛。偽代碼如下：

if（jedis.set(key_resource_id, uni_request_id, "NX", "EX", 100s) == 1）{ //加鎖
    try {
        do something  //業務處理
    }catch(){
　　}
　　finally {
       //判斷是不是當前線程加的鎖,是才釋放
       if (uni_request_id.equals(jedis.get(key_resource_id))) {
        jedis.del(lockKey); //釋放鎖
        }
    }
}

在這裡，判斷是不是當前線程加的鎖和釋放鎖不是一個原子操作。如果調用jedis.del()釋放鎖的時候，可能這把鎖已經不屬於當前客戶端，會解除他人加的鎖。

為了更嚴謹，一般也是用lua腳本代替。lua腳本如下：

if redis.call('get',KEYS[1]) == ARGV[1] then 
   return redis.call('del',KEYS[1]) 
else
   return 0
end;

Redis分佈式鎖方案六：Redisson框架

方案五還是可能存在鎖過期釋放，業務沒執行完的問題。有些小夥伴認為，稍微把鎖過期時間設置長一些就可以啦。其實我們設想一下，是否可以給獲得鎖的線程，開啟一個定時守護線程，每隔一段時間檢查鎖是否還存在，存在則對鎖的過期時間延長，防止鎖過期提前釋放。

當前開源框架Redisson解決了這個問題。我們一起來看下Redisson底層原理圖吧：

只要線程一加鎖成功，就會啟動一個watch dog看門狗，它是一個後台線程，會每隔10秒檢查一下，如果線程1還持有鎖，那麼就會不斷的延長鎖key的生存時間。因此，Redisson就是使用Redisson解決了鎖過期釋放，業務沒執行完問題。

Redis分佈式鎖方案七：多機實現的分佈式鎖Redlock+Redisson

前面六種方案都只是基於單機版的討論，還不是很完美。其實Redis一般都是集群部署的：

如果線程一在Redis的master節點上拿到了鎖，但是加鎖的key還沒同步到slave節點。恰好這時，master節點發生故障，一個slave節點就會升級為master節點。線程二就可以獲取同個key的鎖啦，但線程一也已經拿到鎖了，鎖的安全性就沒了。

為了解決這個問題，Redis作者 antirez提出一種高級的分佈式鎖算法：Redlock。Redlock核心思想是這樣的：

搞多個Redis master部署，以保證它們不會同時宕掉。並且這些master節點是完全相互獨立的，相互之間不存在數據同步。同時，需要確保在這多個master實例上，是與在Redis單實例，使用相同方法來獲取和釋放鎖。

我們假設當前有5個Redis master節點，在5台服務器上面運行這些Redis實例。

RedLock的實現步驟:如下

  • 1.獲取當前時間，以毫秒為單位。
  • 2.按順序向5個master節點請求加鎖。客戶端設置網絡連接和響應超時時間，並且超時時間要小於鎖的失效時間。（假設鎖自動失效時間為10秒，則超時時間一般在5-50毫秒之間,我們就假設超時時間是50ms吧）。如果超時，跳過該master節點，儘快去嘗試下一個master節點。
  • 3.客戶端使用當前時間減去開始獲取鎖時間（即步驟1記錄的時間），得到獲取鎖使用的時間。當且僅當超過一半（N/2+1，這裡是5/2+1=3個節點）的Redis master節點都獲得鎖，並且使用的時間小於鎖失效時間時，鎖才算獲取成功。（如上圖，10s> 30ms+40ms+50ms+4m0s+50ms）
  • 如果取到了鎖，key的真正有效時間就變啦，需要減去獲取鎖所使用的時間。
  • 如果獲取鎖失敗（沒有在至少N/2+1個master實例取到鎖，有或者獲取鎖時間已經超過了有效時間），客戶端要在所有的master節點上解鎖（即便有些master節點根本就沒有加鎖成功，也需要解鎖，以防止有些漏網之魚）。

簡化下步驟就是：

  • 按順序向5個master節點請求加鎖
  • 根據設置的超時時間來判斷，是不是要跳過該master節點。
  • 如果大於等於三個節點加鎖成功，並且使用的時間小於鎖的有效期，即可認定加鎖成功啦。
  • 獲取鎖失敗，解鎖！

Redisson實現了redLock版本的鎖，有興趣的小夥伴，可以去了解一下哈~

參考與感謝

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