场景应用：Redis使用setnx命令实现分布式锁

Posted 2022-08-30 流楚丶格念

文章目录

• 何时需要分布式锁？
• 如何实现分布式锁？
• • 探究单节点锁：setnx命令
  • • 1. 加锁：
    • 2. 解锁：
    • 带来的问题
  • 探究分布式锁：RedLock算法
  • 补充：setnx命令学习

何时需要分布式锁？

在分布式的环境下，当多个server并发修改同一个资源时，为了避免竞争就需要使用分布式锁。

那为什么不能使用Java自带的锁呢？因为Java中的锁是面向多线程设计的，它只局限于当前的JRE环境。而多个
server实际上是多进程，是不同的JRE环境，所以Java自带的锁机制在这个场景下是无效的。

如何实现分布式锁？

探究单节点锁：setnx命令

采用Redis实现分布式锁，就是在Redis里存一份代表锁的数据，通常用字符串即可。实现分布式锁的思路，以及优化的过程如下：

1. 加锁：

版本一：但是这种方式的缺点是容易产生死锁，因为客户端有可能忘记解锁，或者解锁失败。

setnx key value

版本二：给锁增加了过期时间，避免出现死锁。但这两个命令不是原子的，第二步可能会失败，依然无法避免死锁问题。

setnx key value 
expire key seconds

版本三（推荐）：通过“set...nx...”命令，将加锁、过期命令编排到一起，它们是原子操作了，可以避免死锁。

set key value nx ex seconds

PS：关于setnx与set…nx的探究请参考文件末尾的setnx的学习

2. 解锁：

解锁就是删除代表锁的那份数据。

del key

带来的问题

看起来已经很完美了，但实际上还有隐患，如下图所示例子：进程A在任务没有执行完毕时，锁已经到期被释放了。等进程A的任务执行结束后，它依然会尝试释放锁，因为它的代码逻辑就是任务结束后释放锁。但是，它的锁早已自动释放过了，它此时释放的可能是其他线程的锁。

想要解决这个问题，我们需要解决两件事情：

1. 在加锁时就要给锁设置一个标识，进程要记住这个标识。当进程解锁的时候，要进行判断，是自己持有的锁才能释放，否则不能释放。可以为key赋一个随机值，来充当进程的标识。
2. 解锁时要先判断、再释放，这两步需要保证原子性，否则第二步失败的话，就会出现死锁。而获取和删除命令不是原子的，这就需要采用Lua脚本，通过Lua脚本将两个命令编排在一起，而整个Lua脚本的执行是原子的。

按照以上思路，优化后的命令如下：

# 加锁 
set key random-value nx ex seconds 

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

然后使用eval 用来执行 lua 脚本就OK了。

上述分布式锁的实现方案，是建立在单个主节点之上的。它的潜在问题如下图所示，如果进程A在主节点上加锁成功，然后这个主节点宕机了，则从节点将会晋升为主节点。若此时进程B在新的主节点上加锁成果，之后原主节点重启，成为了从节点，系统中将同时出现两把锁，这是违背锁的唯一性原则的。

探究分布式锁：RedLock算法

总之，就是在单个主节点的架构上实现分布式锁，是无法保证高可用的。若要保证分布式锁的高可用，则可以采用多个节点的实现方案。这种方案有很多，而Redis的官方给出的建议是采用RedLock算法的实现方案。

该算法基于多个Redis节点，它的基本逻辑如下：

• 这些节点相互独立，不存在主从复制或者集群协调机制；
• 加锁：以相同的KEY向N个实例加锁，只要超过一半节点成功，则认定加锁成功；
• 解锁：向所有的实例发送DEL命令，进行解锁；

RedLock算法的示意图如下，我们可以自己实现该算法，也可以直接使用Redisson框架。

补充：setnx命令学习

setnx是set if not exists 的缩写，用来设置键的值

setnx命令返回整数值，当返回1时表示设置值成果，当返回0时表示设置值失败（key已存在）

一般我们不建议直接使用setnx命令来实现分布式锁，因为为了避免出现死锁，我们要给锁设置一个自动过期时间。而setnx命令和设置过期时间的命令不是原子的，可能加锁成功而设置过期时间失败，依然存在死锁的隐患。对于这种情况，Redis改进了set命令，给它增加了nx选项，启用该选项时set命令的效果就会setnx一样了。