分布式鎖介紹

分布式鎖其實(shí)就是控制分布式系統(tǒng)不同進(jìn)程共同訪問(wèn)共享資源的一種鎖的實(shí)現(xiàn)。如果不同的系統(tǒng)或同一個(gè)系統(tǒng)的不同主機(jī)之間共享了某個(gè)臨界資源，往往需要互斥來(lái)防止彼此干擾，以保證一致性。

一把靠譜的分布式鎖應(yīng)該有如下特征：

• 互斥性：任意時(shí)刻，只有一個(gè)客戶端能持有鎖。
• 鎖超時(shí)釋放：持有鎖超時(shí)，可以釋放，防止不必要的資源浪費(fèi)，也可以防止死鎖。
• 可重入性：一個(gè)線程如果獲取了鎖之后,可以再次對(duì)其請(qǐng)求加鎖。
• 高性能和高可用：加鎖和解鎖需要開(kāi)銷(xiāo)盡可能低，同時(shí)也要保證高可用，避免分布式鎖失效。
• 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。

方案一：SETNX + EXPIRE

Redis的分布式鎖最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式為setnx+ expire命令。即先用setnx來(lái)?yè)屾i，如果搶到之后，再用expire給鎖設(shè)置一個(gè)過(guò)期時(shí)間，防止鎖忘記了釋放。

SETNX 是SET IF NOT EXISTS的簡(jiǎn)寫(xiě)。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(gè)key已經(jīng)存在了，則返回0。

假設(shè)某電商網(wǎng)站的某商品做秒殺活動(dòng)，key可以設(shè)置為key_resource_id,value設(shè)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(shè)置過(guò)期時(shí)間
    try {
        do something  //業(yè)務(wù)請(qǐng)求
    }catch(){
  }
  finally {
       jedis.del(key_resource_id); //釋放鎖
    }
}

但是這個(gè)方案中，setnx和expire兩個(gè)命令分開(kāi)了，不是原子操作。如果執(zhí)行完setnx加鎖，正要執(zhí)行expire設(shè)置過(guò)期時(shí)間時(shí)，進(jìn)程crash或者要重啟維護(hù)了，別的線程永遠(yuǎn)獲取不到鎖啦。

方案二：SETNX + value值是（系統(tǒng)時(shí)間+過(guò)期時(shí)間）

為了解決方案一發(fā)生異常鎖得不到釋放的場(chǎng)景，有小伙伴認(rèn)為，可以把過(guò)期時(shí)間放到setnx的value值里面。如果加鎖失敗，再拿出value值校驗(yàn)一下即可。偽代碼如下：

long expires = System.currentTimeMillis() + expireTime; //系統(tǒng)時(shí)間+設(shè)置的過(guò)期時(shí)間
String expiresStr = String.valueOf(expires);

// 如果當(dāng)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(jīng)存在，獲取鎖的過(guò)期時(shí)間
String currentValueStr = jedis.get(key_resource_id);

// 如果獲取到的過(guò)期時(shí)間，小于系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間，表示已經(jīng)過(guò)期
if (currentValueStr != null && Long.parseLong(currentValueStr) < System.currentTimeMillis()) {

     // 鎖已過(guò)期，獲取上一個(gè)鎖的過(guò)期時(shí)間，并設(shè)置現(xiàn)在鎖的過(guò)期時(shí)間（不了解redis的getSet命令的小伙伴，可以去官網(wǎng)看下哈）
    String oldValueStr = jedis.getSet(key_resource_id, expiresStr);
    
    if (oldValueStr != null && oldValueStr.equals(currentValueStr)) {
         // 考慮多線程并發(fā)的情況，只有一個(gè)線程的設(shè)置值和當(dāng)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(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是，巧妙移除expire單獨(dú)設(shè)置過(guò)期時(shí)間的操作，把過(guò)期時(shí)間放到setnx的value值里面來(lái)。但是這個(gè)方案還有別的缺點(diǎn)：

• 過(guò)期時(shí)間是客戶端自己生成的（System.currentTimeMillis()是當(dāng)前系統(tǒng)的時(shí)間），必須要求分布式環(huán)境下，每個(gè)客戶端的時(shí)間必須同步。
• 如果鎖過(guò)期的時(shí)候，并發(fā)多個(gè)客戶端同時(shí)請(qǐng)求過(guò)來(lái)，都執(zhí)行jedis.getSet()，最終只能有一個(gè)客戶端加鎖成功，但是該客戶端鎖的過(guò)期時(shí)間，可能被別的客戶端覆蓋。
• 該鎖沒(méi)有保存持有者的唯一標(biāo)識(shí)，可能被別的客戶端釋放/解鎖。

方案三：使用Lua腳本(包含SETNX + EXPIRE兩條指令)

Redis 通過(guò) LUA 腳本創(chuàng)建具有原子性的命令： 當(dāng)lua腳本命令正在運(yùn)行的時(shí)候，不會(huì)有其他腳本或 Redis 命令被執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)組合命令的原子操作。

在Redis中執(zhí)行Lua腳本有兩種方法：eval和evalsha。eval命令使用內(nèi)置的 Lua 解釋器，對(duì) Lua 腳本進(jìn)行求值，例子如下：

//第一個(gè)參數(shù)是lua腳本，第二個(gè)參數(shù)是鍵名參數(shù)個(gè)數(shù)，剩下的是鍵名參數(shù)和附加參數(shù)
> eval "return {KEYS[1],KEYS[2],ARGV[1],ARGV[2]}" 2 key1 key2 first second
1) "key1"
2) "key2"
3) "first"
4) "second"

因此我們可以使用LUA腳本實(shí)現(xiàn)分布式鎖，偽代碼如下：

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

//加鎖
 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);

方案四：SET的擴(kuò)展命令（SET EX PX NX）

Redis的SET指令擴(kuò)展參數(shù)也可以保證指令的原子性！

SET key value[EX seconds][PX milliseconds][NX|XX]
NX：表示key不存在的時(shí)候，才能set成功，也即保證只有第一個(gè)客戶端請(qǐng)求才能獲得鎖，而其他客戶端請(qǐng)求只能等其釋放鎖，才能獲取。
EX seconds：設(shè)定key的過(guò)期時(shí)間，時(shí)間單位是秒。
PX milliseconds：設(shè)定key的過(guò)期時(shí)間，單位為毫秒
XX：僅當(dāng)key存在時(shí)設(shè)置值

偽代碼如下：

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

但是呢，這個(gè)方案還是可能存在問(wèn)題：

• 鎖過(guò)期釋放了，業(yè)務(wù)還沒(méi)執(zhí)行完。假設(shè)線程a獲取鎖成功，一直在執(zhí)行臨界區(qū)的代碼。但是100s過(guò)去后，它還沒(méi)執(zhí)行完。但是，這時(shí)候鎖已經(jīng)過(guò)期了，此時(shí)線程b又請(qǐng)求過(guò)來(lái)。顯然線程b就可以獲得鎖成功，也開(kāi)始執(zhí)行臨界區(qū)的代碼。那么問(wèn)題就來(lái)了，臨界區(qū)的業(yè)務(wù)代碼都不是嚴(yán)格串行執(zhí)行的啦。
• 鎖被別的線程誤刪。假設(shè)線程a執(zhí)行完后，去釋放鎖。但是它不知道當(dāng)前的鎖可能是線程b持有的（線程a去釋放鎖時(shí)，有可能過(guò)期時(shí)間已經(jīng)到了，此時(shí)線程b進(jìn)來(lái)占有了鎖）。那線程a就把線程b的鎖釋放掉了，但是線程b臨界區(qū)業(yè)務(wù)代碼可能都還沒(méi)執(zhí)行完呢。

方案五：SET EX PX NX + 校驗(yàn)唯一隨機(jī)值,再釋放鎖

既然鎖可能被別的線程誤刪，那我們給value值設(shè)置一個(gè)標(biāo)記當(dāng)前線程唯一的隨機(jī)數(shù)，在刪除的時(shí)候，校驗(yàn)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(yè)務(wù)處理
    }catch(){
  }
  finally {
       //判斷是不是當(dāng)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
        }
    }
}

在這里，判斷是不是當(dāng)前線程加的鎖和釋放鎖不是一個(gè)原子操作。這可能這把鎖已經(jīng)不屬于當(dāng)前客戶端，會(huì)解除他人加的鎖。

為了更嚴(yán)謹(jǐn)，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;

方案六: 開(kāi)源框架Redisson

方案五還是可能存在鎖過(guò)期釋放但業(yè)務(wù)沒(méi)執(zhí)行完的問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們可以給獲得鎖的線程開(kāi)啟一個(gè)定時(shí)守護(hù)線程，每隔一段時(shí)間檢查鎖是否還存在，存在則對(duì)鎖的過(guò)期時(shí)間延長(zhǎng)，防止鎖過(guò)期提前釋放。

當(dāng)前開(kāi)源框架Redisson就是這樣實(shí)現(xiàn)的，Redisson底層原理圖如下：

只要線程一加鎖成功，就會(huì)啟動(dòng)一個(gè)watch dog看門(mén)狗，它是一個(gè)后臺(tái)線程，會(huì)每隔10秒檢查一下，如果線程1還持有鎖，那么就會(huì)不斷的延長(zhǎng)鎖key的生存時(shí)間。因此，Redisson解決了鎖過(guò)期釋放但業(yè)務(wù)沒(méi)執(zhí)行完的問(wèn)題。

方案七：多機(jī)實(shí)現(xiàn)的分布式鎖Redlock

前面六種方案都只是基于單機(jī)版的討論，還不是很完美。其實(shí)Redis一般都是集群部署的：

如果線程一在Redis的master節(jié)點(diǎn)上拿到了鎖，但是加鎖的key還沒(méi)同步到slave節(jié)點(diǎn)。恰好這時(shí)，master節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，一個(gè)slave節(jié)點(diǎn)就會(huì)升級(jí)為master節(jié)點(diǎn)。線程二就可以獲取同個(gè)key的鎖啦，但線程一也已經(jīng)拿到鎖了，鎖的安全性就沒(méi)了。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，Redis提出一種高級(jí)的分布式鎖算法：Redlock。我們假設(shè)當(dāng)前有5個(gè)Redis master節(jié)點(diǎn)，在5臺(tái)服務(wù)器上面運(yùn)行這些Redis實(shí)例，如下圖所示：

則RedLock的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

• 按順序向5個(gè)master節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求加鎖。
• 根據(jù)設(shè)置的超時(shí)時(shí)間來(lái)判斷，是不是要跳過(guò)該master節(jié)點(diǎn)。
• 如果大于等于3個(gè)節(jié)點(diǎn)（N/2+1，這里是5/2+1=3個(gè)節(jié)點(diǎn)）加鎖成功，并且使用的時(shí)間小于鎖的有效期，即可認(rèn)定加鎖成功啦。
• 如果獲取鎖失敗，解鎖！

 到此這篇關(guān)于Redis分布式鎖的7種實(shí)現(xiàn)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Redis分布式鎖內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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