Redis分布式锁

Posted 2021-11-26 eugene-jin

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Redis分布式锁相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

1.概述

分布式锁一般有三种实现方式：1.基于数据库实现分布式锁；2. 基于缓存（Redis，memcached，tair）实现分布式锁； 3.基于Zookeeper实现分布式锁。本片博客将介绍基于缓存实现分布式锁，这里主讲分别针对Redis 2.6.12 之前版本和Redis 2.6.12 及之后版本分布式锁的实现。

2.基于Redis（Redis 2.6.12版本之前）分布式锁的实现方式

（1）命令介绍

　　1）SETX

　　SETNX key value: setnx是『set if not exists』（即当key不存在时，则set）的简写。setnx具有原子性，当且仅当key不存在时，set一个key为val的字符串，返回1；若key存在，则什么都不做，返回0.

　　2)GETSET

　　GETSET key value：将给定 key 的值设为 value ，并返回 key 的旧值(old value)。当 key 存在但不是字符串类型时，返回一个错误。当 key 没有旧值时，也即是， key 不存在时，返回 nil 。

　　3)GET

　　GET key：返回 key 所关联的字符串值；如果 key 不存在那么返回特殊值 nil 。假如 key 储存的值不是字符串类型，返回一个错误，因为GET只能用于处理字符串值。

　　4)EXPIRE

　　EXPIRE key timeout：为key设置一个超时时间，单位为second，超过这个时间锁会自动释放，避免死锁。

　　5)DELETE

　　DELETE key:删除key

（2）Redis实现分布式锁的原理

* 1.通过setnx(lock_timeout)实现，如果设置了锁返回1，已经有值没有设置成功返回0

* 2.死锁问题：通过实践来判断是否过期，如果已经过期，获取到过期时间get(lockKey)，然后getset(lock_timeout)判断是否和get相同，

* 相同则证明已经加锁成功，因为可能导致多线程同时执行getset(lock_timeout)方法，这可能导致多线程都只需getset后，对于判断加锁成功的线程，

* 再加expire(lockKey, LOCK_TIMEOUT, TimeUnit.MILLISECONDS)过期时间，防止多个线程同时叠加时间，导致锁时效时间翻倍

* 3.针对集群服务器时间不一致问题，可以调用redis的time()获取当前时间

（3）图解Redis分布式锁原理

技术图片

1. setnx(lockkey, 当前时间+过期超时时间) ，如果返回1，则获取锁成功；如果返回0则没有获取到锁，转向2。
2. get(lockkey)获取锁的过期时间lockValueA ，并将这个lockValueA 值与当前的系统时间currentTime进行比较，如果小于当前系统时间，则认为这个锁已经超时，可以允许别的请求重新获取，转向3。
3. 计算新的过期时间 newExpireTime=当前时间+过期超时时间，然后getset(lockkey, newExpireTime) 会返回当前lockkey的值lockValueB。
4. 判断lockValueA与lockValueB 是否相等，如果相等，说明当前getset设置成功，获取到了锁。如果不相等，说明这个锁又被别的请求获取走了，那么当前请求可以直接返回失败，或者继续重试。
5. 在获取到锁之后，当前线程可以开始自己的业务处理，当处理完毕后，比较自己的处理时间和对于锁设置的超时时间，如果小于锁设置的超时时间，则直接执行delete释放锁；如果大于锁设置的超时时间，则不需要再锁进行处理。

（4）缺点

Redis 2.6.12之前版本，使用SETNX命令实现Redis分布式锁，但是会出现各种各样的问题。具体罗列出以下几种：

1）setnx和expire的非原子性

设想一个极端场景，当某线程执行setnx，成功得到了锁：

技术图片

setnx刚执行成功，还未来得及执行expire指令，节点1 Duang的一声挂掉了。

技术图片

这样一来，这把锁就没有设置过期时间，变得“长生不老”，别的线程再也无法获得锁了。如示例代码所示

示例代码

public static void wrongGetLock1(Jedis jedis, String lockKey, String requestId, int expireTime) {
 
    Long result = jedis.setnx(lockKey, requestId);
    if (result == 1) {
        // 若在这里程序突然崩溃，则无法设置过期时间，将发生死锁
        jedis.expire(lockKey, expireTime);
    }
 
}

setnx()方法作用就是SET IF NOT EXIST，expire()方法就是给锁加一个过期时间。乍一看好像和前面的set()方法结果一样，然而由于这是两条Redis命令，不具有原子性，如果程序在执行完setnx()之后突然崩溃，导致锁没有设置过期时间。那么将会发生死锁。网上之所以有人这样实现，是因为低版本的jedis并不支持多参数的set()方法。

2）出现并发的可能性

这里使用示例代码来描述

示例代码

这一种错误示例就比较难以发现问题，而且实现也比较复杂。实现思路：使用jedis.setnx()命令实现加锁，其中key是锁，value是锁的过期时间。执行过程：1. 通过setnx()方法尝试加锁，如果当前锁不存在，返回加锁成功。2. 如果锁已经存在则获取锁的过期时间，和当前时间比较，如果锁已经过期，则设置新的过期时间，返回加锁成功。代码如下：

public static boolean wrongGetLock2(Jedis jedis, String lockKey, int expireTime) {
 
    long expires = System.currentTimeMillis() + expireTime;
    String expiresStr = String.valueOf(expires);
 
    // 如果当前锁不存在，返回加锁成功
    if (jedis.setnx(lockKey, expiresStr) == 1) {
        return true;
    }
 
    // 如果锁存在，获取锁的过期时间
    String currentValueStr = jedis.get(lockKey);
    if (currentValueStr != null && Long.parseLong(currentValueStr) < System.currentTimeMillis()) {
        // 锁已过期，获取上一个锁的过期时间，并设置现在锁的过期时间
        String oldValueStr = jedis.getSet(lockKey, expiresStr);
        if (oldValueStr != null && oldValueStr.equals(currentValueStr)) {
            // 考虑多线程并发的情况，只有一个线程的设置值和当前值相同，它才有权利加锁
            return true;
        }
    }
 
    // 其他情况，一律返回加锁失败
    return false;
 
}

那么这段代码问题在哪里？1. 由于是客户端自己生成过期时间，所以需要强制要求分布式下每个客户端的时间必须同步。 2. 当锁过期的时候，如果多个客户端同时执行jedis.getSet()方法，那么虽然最终只有一个客户端可以加锁，但是这个客户端的锁的过期时间可能被其他客户端覆盖。3. 锁不具备拥有者标识，即任何客户端都可以解锁。

3）del 导致误删

又是一个极端场景，假如某线程成功得到了锁，并且设置的超时时间是30秒。

技术图片

如果某些原因导致线程A执行的很慢很慢，过了30秒都没执行完，这时候锁过期自动释放，线程B得到了锁。

技术图片

随后，线程A执行完了任务，线程A接着执行del指令来释放锁。但这时候线程B还没执行完，线程A实际上删除的是线程B加的锁。

技术图片

怎么避免这种情况呢？可以在del释放锁之前做一个判断，验证当前的锁是不是自己加的锁。

至于具体的实现，可以在加锁的时候把当前的线程ID当做value，并在删除之前验证key对应的value是不是自己线程的ID。

加锁：

String threadId = Thread.currentThread().getId()
set（key，threadId ，30，NX）

解锁：

if（threadId .equals(redisClient.get(key))）{
    del(key)
}

也可以在释放锁的时候，通过锁的默认value值UUID判断是不是该锁，若是该锁，则执行delete进行锁释放。但是，这样做又隐含了一个新的问题，判断和释放锁是两个独立操作，不是原子性的。具体如代码所示：

示例代码1

最常见的解锁代码就是直接使用jedis.del()方法删除锁，这种不先判断锁的拥有者而直接解锁的方式，会导致任何客户端都可以随时进行解锁，即使这把锁不是它的。

public static void wrongReleaseLock1(Jedis jedis, String lockKey) {
    jedis.del(lockKey);
}

示例代码2

这种解锁代码乍一看也是没问题，甚至我之前也差点这样实现，与正确姿势差不多，唯一区别的是分成两条命令去执行，代码如下：

public static void wrongReleaseLock2(Jedis jedis, String lockKey, String requestId) {
 
    // 判断加锁与解锁是不是同一个客户端
    if (requestId.equals(jedis.get(lockKey))) {
        // 若在此时，这把锁突然不是这个客户端的，则会误解锁
        jedis.del(lockKey);
    }
 
}

如代码注释，问题在于如果调用jedis.del()方法的时候，这把锁已经不属于当前客户端的时候会解除他人加的锁。那么是否真的有这种场景？答案是肯定的，比如客户端A加锁，一段时间之后客户端A解锁，在执行jedis.del()之前，锁突然过期了，此时客户端B尝试加锁成功，然后客户端A再执行del()方法，则将客户端B的锁给解除了。

从Redis 2.6.12版本开始很好的解决了上述的问题，下面是采用Redis2.6.12版本对以上问题的解决

3.基于Redis（Redis 2.6.12版本起）分布式锁的实现方式

（1）命令介绍

从Redis2.6.12版本开始，redis为SET命令增加了一系列选项：

EX second ：设置键的过期时间为 second 秒。 SET key value EX second 效果等同于 SETEX key second value 。
PX millisecond ：设置键的过期时间为 millisecond 毫秒。 SET key value PX millisecond 效果等同于 PSETEX key millisecond value。
NX ：只在键不存在时，才对键进行设置操作。 SET key value NX 效果等同于 SETNX key value 。
XX ：只在键已经存在时，才对键进行设置操作。

注意: 由于SET命令加上选项已经可以完全取代SETNX, SETEX, PSETEX的功能，所以在将来的版本中，redis可能会不推荐使用并且最终抛弃这几个命令。使用SET代替SETNX，相当于SETNX+EXPIRE实现了原子性，不必担心SETNX成功，EXPIRE失败的问题！有效的避免死锁，解决了Redis2.6.12之前版本存在的问题。

（2）分布式锁的实现

1）解决非原子性和并发的出现

示例代码

public class RedisTool {
 
    private static final String LOCK_SUCCESS = "OK";
    private static final String SET_IF_NOT_EXIST = "NX";
    private static final String SET_WITH_EXPIRE_TIME = "PX";
 
    /**
     * 尝试获取分布式锁
     * @param jedis Redis客户端
     * @param lockKey 锁
     * @param requestId 请求标识
     * @param expireTime 超期时间
     * @return 是否获取成功
     */
    public static boolean tryGetDistributedLock(Jedis jedis, String lockKey, String requestId, int expireTime) {
 
        String result = jedis.set(lockKey, requestId, SET_IF_NOT_EXIST, SET_WITH_EXPIRE_TIME, expireTime);
 
        if (LOCK_SUCCESS.equals(result)) {
            return true;
        }
        return false;
 
    }
 
}

可以看到，我们加锁就一行代码：jedis.set(String key, String value, String nxxx, String expx, int time)，这个set()方法一共有五个形参：

第一个为key，我们使用key来当锁，因为key是唯一的。
第二个为value，我们传的是requestId，很多童鞋可能不明白，有key作为锁不就够了吗，为什么还要用到value？原因就是我们在上面讲到可靠性时，分布式锁要满足第四个条件解铃还须系铃人，通过给value赋值为requestId，我们就知道这把锁是哪个请求加的了，在解锁的时候就可以有依据。requestId可以使用UUID.randomUUID().toString()方法生成。
第三个为nxxx，这个参数我们填的是NX，意思是SET IF NOT EXIST，即当key不存在时，我们进行set操作；若key已经存在，则不做任何操作；
第四个为expx，这个参数我们传的是PX，意思是我们要给这个key加一个过期的设置，具体时间由第五个参数决定。
第五个为time，与第四个参数相呼应，代表key的过期时间。

总的来说，执行上面的set()方法就只会导致两种结果：1. 当前没有锁（key不存在），那么就进行加锁操作，并对锁设置个有效期，同时value表示加锁的客户端。2. 已有锁存在，不做任何操作。

心细的童鞋就会发现了，我们的加锁代码满足我们可靠性里描述的三个条件。首先，set()加入了NX参数，可以保证如果已有key存在，则函数不会调用成功，也就是只有一个客户端能持有锁，满足互斥性。其次，由于我们对锁设置了过期时间，即使锁的持有者后续发生崩溃而没有解锁，锁也会因为到了过期时间而自动解锁（即key被删除），不会发生死锁。最后，因为我们将value赋值为requestId，代表加锁的客户端请求标识，那么在客户端在解锁的时候就可以进行校验是否是同一个客户端。由于我们只考虑Redis单机部署的场景，所以容错性我们暂不考虑。

2）解决锁误删

示例代码

public class RedisTool {
 
    private static final Long RELEASE_SUCCESS = 1L;
 
    /**
     * 释放分布式锁
     * @param jedis Redis客户端
     * @param lockKey 锁
     * @param requestId 请求标识
     * @return 是否释放成功
     */
    public static boolean releaseDistributedLock(Jedis jedis, String lockKey, String requestId) {
 
        String script = "if redis.call(‘get‘, KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call(‘del‘, KEYS[1]) else return 0 end";
        Object result = jedis.eval(script, Collections.singletonList(lockKey), Collections.singletonList(requestId));
 
        if (RELEASE_SUCCESS.equals(result)) {
            return true;
        }
        return false;
 
    }
 
}

可以看到，我们解锁只需要两行代码就搞定了！第一行代码，我们写了一个简单的Lua脚本代码，第二行代码，我们将Lua代码传到jedis.eval()方法里，并使参数KEYS[1]赋值为lockKey，ARGV[1]赋值为requestId。eval()方法是将Lua代码交给Redis服务端执行。

那么这段Lua代码的功能是什么呢？其实很简单，首先获取锁对应的value值，检查是否与requestId相等，如果相等则删除锁（解锁）。那么为什么要使用Lua语言来实现呢？因为要确保上述操作是原子性的。那么为什么执行eval()方法可以确保原子性，源于Redis的特性，简单来说，就是在eval命令执行Lua代码的时候，Lua代码将被当成一个命令去执行，并且直到eval命令执行完成，Redis才会执行其他命令。