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Redis分布式鎖問題前言可靠性代碼實作 總結

https://blog.csdn.net/yb223731/article/details/90349502

https://www.jianshu.com/p/47fd7f86c848

一、什麼是分布式鎖？

要介紹分布式鎖，首先要提到與分布式鎖相對應的是線程鎖、程序鎖。

線程鎖：主要用來給方法、代碼塊加鎖。當某個方法或代碼使用鎖，在同一時刻僅有一個線程執行該方法或該代碼段。線程鎖隻在同一JVM中有效果，因為線程鎖的實作在根本上是依靠線程之間共享記憶體實作的，比如synchronized是共享對象頭，顯示鎖Lock是共享某個變量（state）。

程序鎖：為了控制同一作業系統中多個程序通路某個共享資源，因為程序具有獨立性，各個程序無法通路其他程序的資源，是以無法通過synchronized等線程鎖實作程序鎖。

分布式鎖：當多個程序不在同一個系統中，用分布式鎖控制多個程序對資源的通路。

二、分布式鎖的使用場景。

線程間并發問題和程序間并發問題都是可以通過分布式鎖解決的，但是強烈不建議這樣做！因為采用分布式鎖解決這些小問題是非常消耗資源的！分布式鎖應該用來解決分布式情況下的多程序并發問題才是最合适的。

有這樣一個情境，線程A和線程B都共享某個變量X。

如果是單機情況下（單JVM），線程之間共享記憶體，隻要使用線程鎖就可以解決并發問題。

如果是分布式情況下（多JVM），線程A和線程B很可能不是在同一JVM中，這樣線程鎖就無法起到作用了，這時候就要用到分布式鎖來解決。

三、分布式鎖的實作（Redis）

分布式鎖實作的關鍵是在分布式的應用伺服器外，搭建一個存儲伺服器，存儲鎖資訊，這時候我們很容易就想到了Redis。首先我們要搭建一個Redis伺服器，用Redis伺服器來存儲鎖資訊。

在實作的時候要注意的幾個關鍵點：

1、鎖資訊必須是會過期逾時的，不能讓一個線程長期占有一個鎖而導緻死鎖；

2、同一時刻隻能有一個線程擷取到鎖。

幾個要用到的redis指令：

setnx(key, value)：“set if not exits”，若該key-value不存在，則成功加入緩存并且傳回1，否則傳回0。

get(key)：獲得key對應的value值，若不存在則傳回nil。

getset(key, value)：先擷取key對應的value值，若不存在則傳回nil，然後将舊的value更新為新的value。

expire(key, seconds)：設定key-value的有效期為seconds秒。

前言

分布式鎖一般有三種實作方式：1. 資料庫樂觀鎖；2. 基于Redis的分布式鎖；3. 基于ZooKeeper的分布式鎖。本篇部落格将介紹第二種方式，基于Redis實作分布式鎖。雖然網上已經有各種介紹Redis分布式鎖實作的部落格，然而他們的實作卻有着各種各樣的問題，為了避免誤人子弟，本篇部落格将詳細介紹如何正确地實作Redis分布式鎖。

可靠性

首先，為了確定分布式鎖可用，我們至少要確定鎖的實作同時滿足以下四個條件：

  1. 互斥性。在任意時刻，隻有一個用戶端能持有鎖。
  2. 不會發生死鎖。即使有一個用戶端在持有鎖的期間崩潰而沒有主動解鎖，也能保證後續其他用戶端能加鎖。
  3. 具有容錯性。隻要大部分的Redis節點正常運作，用戶端就可以加鎖和解鎖。
  4. 解鈴還須系鈴人。加鎖和解鎖必須是同一個用戶端，用戶端自己不能把别人加的鎖給解了。

代碼實作

元件依賴

首先我們要通過Maven引入

Jedis

開源元件，在

pom.xml

檔案加入下面的代碼：

<dependency>
    <groupId>redis.clients</groupId>
    <artifactId>jedis</artifactId>
    <version>2.9.0</version>
</dependency>

加鎖代碼

正确姿勢

Talk is cheap, show me the code。先展示代碼，再帶大家慢慢解釋為什麼這樣實作：

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";
 
    /**
     * 嘗試擷取分布式鎖
     * @param jedis Redis用戶端
     * @param lockKey 鎖
     * @param requestId 請求辨別
     * @param expireTime 超期時間
     * @return 是否擷取成功
     */
    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，我們加鎖就一行代碼：

jedis.set(String key, String value, String nxxx, String expx, int time)

，這個set()方法一共有五個形參：

  • 第一個為key，我們使用key來當鎖，因為key是唯一的。
  • 第二個為value，我們傳的是requestId，很多童鞋可能不明白，有key作為鎖不就夠了嗎，為什麼還要用到value？原因就是我們在上面講到可靠性時，分布式鎖要滿足第四個條件解鈴還須系鈴人，通過給value指派為requestId，我們就知道這把鎖是哪個請求加的了，在解鎖的時候就可以有依據。requestId可以使用

    UUID.randomUUID().toString()

     方法生成。
  • 第三個為nxxx，這個參數我們填的是NX，意思是SET IF NOT EXIST，即當key不存在時，我們進行set操作；若key已經存在，則不做任何操作；
  • 第四個為expx，這個參數我們傳的是PX，意思是我們要給這個key加一個過期的設定，具體時間由第五個參數決定。
  • 第五個為time，與第四個參數相呼應，代表key的過期時間。

總的來說，執行上面的set()方法就隻會導緻兩種結果：1. 目前沒有鎖（key不存在），那麼就進行加鎖操作，并對鎖設定個有效期，同時value表示加鎖的用戶端。2. 已有鎖存在，不做任何操作。

心細的童鞋就會發現了，我們的加鎖代碼滿足我們可靠性裡描述的三個條件。首先，set()加入了NX參數，可以保證如果已有key存在，則函數不會調用成功，也就是隻有一個用戶端能持有鎖，滿足互斥性。其次，由于我們對鎖設定了過期時間，即使鎖的持有者後續發生崩潰而沒有解鎖，鎖也會因為到了過期時間而自動解鎖（即key被删除），不會發生死鎖。最後，因為我們将value指派為requestId，代表加鎖的用戶端請求辨別，那麼在用戶端在解鎖的時候就可以進行校驗是否是同一個用戶端。由于我們隻考慮Redis單機部署的場景，是以容錯性我們暫不考慮。

錯誤示例1

比較常見的錯誤示例就是使用

jedis.setnx()

和

jedis.expire()

組合實作加鎖，代碼如下：

public static void wrongGetLock1(Jedis jedis, String lockKey, String requestId, int expireTime) {
 
    Long result = jedis.setnx(lockKey, requestId);
    if (result == 1) {
        // 若在這裡程式突然崩潰，則無法設定過期時間，将發生死鎖
        jedis.expire(lockKey, expireTime);
    }
 
}

setnx()方法作用就是SET IF NOT EXIST，expire()方法就是給鎖加一個過期時間。乍一看好像和前面的set()方法結果一樣，然而由于這是兩條Redis指令，不具有原子性，如果程式在執行完setnx()之後突然崩潰，導緻鎖沒有設定過期時間。那麼将會發生死鎖。網上之是以有人這樣實作，是因為低版本的jedis并不支援多參數的set()方法。

錯誤示例2

這一種錯誤示例就比較難以發現問題，而且實作也比較複雜。實作思路：使用

jedis.setnx()

指令實作加鎖，其中key是鎖，value是鎖的過期時間。執行過程：1. 通過setnx()方法嘗試加鎖，如果目前鎖不存在，傳回加鎖成功。2. 如果鎖已經存在則擷取鎖的過期時間，和目前時間比較，如果鎖已經過期，則設定新的過期時間，傳回加鎖成功。代碼如下：

public static boolean wrongGetLock2(Jedis jedis, String lockKey, int expireTime) {
 
    long expires = System.currentTimeMillis() + expireTime;
    String expiresStr = String.valueOf(expires);
 
    // 如果目前鎖不存在，傳回加鎖成功
    if (jedis.setnx(lockKey, expiresStr) == 1) {
        return true;
    }
 
    // 如果鎖存在，擷取鎖的過期時間
    String currentValueStr = jedis.get(lockKey);
    if (currentValueStr != null && Long.parseLong(currentValueStr) < System.currentTimeMillis()) {
        // 鎖已過期，擷取上一個鎖的過期時間，并設定現在鎖的過期時間
        String oldValueStr = jedis.getSet(lockKey, expiresStr);
        if (oldValueStr != null && oldValueStr.equals(currentValueStr)) {
            // 考慮多線程并發的情況，隻有一個線程的設定值和目前值相同，它才有權利加鎖
            return true;
        }
    }
        
    // 其他情況，一律傳回加鎖失敗
    return false;
 
}

那麼這段代碼問題在哪裡？1. 由于是用戶端自己生成過期時間，是以需要強制要求分布式下每個用戶端的時間必須同步。 2. 當鎖過期的時候，如果多個用戶端同時執行

jedis.getSet()

方法，那麼雖然最終隻有一個用戶端可以加鎖，但是這個用戶端的鎖的過期時間可能被其他用戶端覆寫。3. 鎖不具備擁有者辨別，即任何用戶端都可以解鎖。

解鎖代碼

正确姿勢

還是先展示代碼，再帶大家慢慢解釋為什麼這樣實作：

public class RedisTool {
 
    private static final Long RELEASE_SUCCESS = 1L;
 
    /**
     * 釋放分布式鎖
     * @param jedis Redis用戶端
     * @param lockKey 鎖
     * @param requestId 請求辨別
     * @return 是否釋放成功
     */
    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，我們解鎖隻需要兩行代碼就搞定了！第一行代碼，我們寫了一個簡單的Lua腳本代碼，上一次見到這個程式設計語言還是在《黑客與畫家》裡，沒想到這次居然用上了。第二行代碼，我們将Lua代碼傳到

jedis.eval()

方法裡，并使參數KEYS[1]指派為lockKey，ARGV[1]指派為requestId。eval()方法是将Lua代碼交給Redis服務端執行。

那麼這段Lua代碼的功能是什麼呢？其實很簡單，首先擷取鎖對應的value值，檢查是否與requestId相等，如果相等則删除鎖（解鎖）。那麼為什麼要使用Lua語言來實作呢？因為要確定上述操作是原子性的。那麼為什麼執行eval()方法可以確定原子性，源于Redis的特性，下面是官網對eval指令的部分解釋：

..

簡單來說，就是在eval指令執行Lua代碼的時候，Lua代碼将被當成一個指令去執行，并且直到eval指令執行完成，Redis才會執行其他指令。

錯誤示例1

最常見的解鎖代碼就是直接使用

jedis.del()

方法删除鎖，這種不先判斷鎖的擁有者而直接解鎖的方式，會導緻任何用戶端都可以随時進行解鎖，即使這把鎖不是它的。

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

錯誤示例2

這種解鎖代碼乍一看也是沒問題，甚至我之前也差點這樣實作，與正确姿勢差不多，唯一差別的是分成兩條指令去執行，代碼如下：

public static void wrongReleaseLock2(Jedis jedis, String lockKey, String requestId) {
        
    // 判斷加鎖與解鎖是不是同一個用戶端
    if (requestId.equals(jedis.get(lockKey))) {
        // 若在此時，這把鎖突然不是這個用戶端的，則會誤解鎖
        jedis.del(lockKey);
    }
 
}

如代碼注釋，問題在于如果調用

jedis.del()

方法的時候，這把鎖已經不屬于目前用戶端的時候會解除他人加的鎖。那麼是否真的有這種場景？答案是肯定的，比如用戶端A加鎖，一段時間之後用戶端A解鎖，在執行

jedis.del()

之前，鎖突然過期了，此時用戶端B嘗試加鎖成功，然後用戶端A再執行del()方法，則将用戶端B的鎖給解除了。

後續問題

1、怎麼保證鎖時間大于業務執行時間？

redisson裡面有一個看門狗的機制，其實可以根據這個思路來，加鎖成功後，啟動一條守護線程，守護線程給鎖進行無限續期！當鎖不存在的時候就跳過，存在就續期，可以保證鎖的時間大于業務時間！線程為守護線程的原因是，守護線程依賴于主線程，當主線程挂了之後，守護線程也會挂掉！這樣能避免程式當機之後，續期的線程依舊續期，造成死鎖！

總結

本文主要介紹了如何使用Java代碼正确實作Redis分布式鎖，對于加鎖和解鎖也分别給出了兩個比較經典的錯誤示例。其實想要通過Redis實作分布式鎖并不難，隻要保證能滿足可靠性裡的四個條件。網際網路雖然給我們帶來了友善，隻要有問題就可以google，然而網上的答案一定是對的嗎？其實不然，是以我們更應該時刻保持着質疑精神，多想多驗證。

如果你的項目中Redis是多機部署的，那麼可以嘗試使用

Redisson

實作分布式鎖。

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