七種方案！探討Redis分布式鎖的正確使用姿勢(shì)

前言

日常開發(fā)中，秒殺下單、搶紅包等等業(yè)務(wù)場(chǎng)景，都需要用到分布式鎖。而Redis非常適合作為分布式鎖使用。本文將分七個(gè)方案展開，跟大家探討Redis分布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(xué)習(xí)一起進(jìn)步。

• 什么是分布式鎖
• 方案一：SETNX + EXPIRE
• 方案二：SETNX + value值是（系統(tǒng)時(shí)間+過期時(shí)間）
• 方案三：使用Lua腳本(包含SETNX + EXPIRE兩條指令)
• 方案四：SET的擴(kuò)展命令（SET EX PX NX）
• 方案五：SET EX PX NX  + 校驗(yàn)唯一隨機(jī)值,再釋放鎖
• 方案六: 開源框架~Redisson
• 方案七：多機(jī)實(shí)現(xiàn)的分布式鎖Redlock

什么是分布式鎖

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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。

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我們先來(lái)看下，一把靠譜的分布式鎖應(yīng)該有哪些特征：

• 「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」：加鎖和解鎖需要開銷盡可能低，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

Redis分布式鎖方案一：SETNX + EXPIRE

提到Redis的分布式鎖，很多小伙伴馬上就會(huì)想到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)過期時(shí)間，防止鎖忘記了釋放。

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

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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)置過期時(shí)間時(shí)，進(jìn)程crash或者要重啟維護(hù)了，那么這個(gè)鎖就“長(zhǎng)生不老”了，「別的線程永遠(yuǎn)獲取不到鎖啦」。

Redis分布式鎖方案二：SETNX + value值是(系統(tǒng)時(shí)間+過期時(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。加鎖代碼如下：

long expires = System.currentTimeMillis() + expireTime; //系統(tǒng)時(shí)間+設(shè)置的過期時(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，獲取鎖的過期時(shí)間
String currentValueStr = jedis.get(key_resource_id);

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

     // 鎖已過期，獲取上一個(gè)鎖的過期時(shí)間，并設(shè)置現(xiàn)在鎖的過期時(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)置過期時(shí)間的操作，把「過期時(shí)間放到setnx的value值」里面來(lái)。解決了方案一發(fā)生異常，鎖得不到釋放的問題。但是這個(gè)方案還有別的缺點(diǎn)：

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• 過期時(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。
• 如果鎖過期的時(shí)候，并發(fā)多個(gè)客戶端同時(shí)請(qǐng)求過來(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期時(shí)間，可能被別的客戶端覆蓋
• 該鎖沒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。

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

實(shí)際上，我們還可以使用Lua腳本來(lái)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(gè)方案，跟方案二對(duì)比，你覺得哪個(gè)更好呢？

Redis分布式鎖方案方案四：SET的擴(kuò)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(kuò)展參數(shù)！（SET key value[EX seconds][PX milliseconds][NX|XX]），它也是原子性的！

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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的過期時(shí)間，時(shí)間單位是秒。
• PX milliseconds: 設(shè)定key的過期時(shí)間，單位為毫秒
• XX: 僅當(dāng)key存在時(shí)設(shè)置值

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偽代碼demo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題：

• 問題一：「鎖過期釋放了，業(yè)務(wù)還沒執(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過去后，它還沒執(zhí)行完。但是，這時(shí)候鎖已經(jīng)過期了，此時(shí)線程b又請(qǐng)求過來(lái)。顯然線程b就可以獲得鎖成功，也開始執(zhí)行臨界區(qū)的代碼。那么問題就來(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。
• 問題二：「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)代碼可能都還沒執(zhí)行完呢。

方案五：SET EX PX NX  + 校驗(yàn)唯一隨機(jī)值,再刪除

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。如果調(diào)用jedis.del()釋放鎖的時(shí)候，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;

Redis分布式鎖方案六：Redisson框架

方案五還是可能存在「鎖過期釋放，業(yè)務(wù)沒執(zhí)行完」的問題。有些小伙伴認(rèn)為，稍微把鎖過期時(shí)間設(shè)置長(zhǎng)一些就可以啦。其實(shí)我們?cè)O(shè)想一下，是否可以給獲得鎖的線程，開啟一個(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)鎖的過期時(shí)間延長(zhǎng)，防止鎖過期提前釋放。

當(dāng)前開源框架Redisson解決了這個(gè)問題。我們一起來(lái)看下Redisson底層原理圖吧：

只要線程一加鎖成功，就會(huì)啟動(dòng)一個(gè)watch dog看門狗，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就是使用watch dog解決了「鎖過期釋放，業(yè)務(wù)沒執(zhí)行完」問題。

Redis分布式鎖方案七：多機(jī)實(shí)現(xiàn)的分布式鎖Redlock+Redisson

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，鎖的安全性就沒了。

為了解決這個(gè)問題，Redis作者 antirez提出一種高級(jí)的分布式鎖算法：Redlock。Redlock核心思想是這樣的：

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搞多個(gè)Redis master部署，以保證它們不會(huì)同時(shí)宕掉。并且這些master節(jié)點(diǎn)是完全相互獨(dú)立的，相互之間不存在數(shù)據(jù)同步。同時(shí)，需要確保在這多個(gè)master實(shí)例上，是與在Redis單實(shí)例，使用相同方法來(lái)獲取和釋放鎖。

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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。

RedLock的實(shí)現(xiàn)步驟:如下

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• 1.獲取當(dāng)前時(shí)間，以毫秒為單位。
• 2.按順序向5個(gè)master節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求加鎖?？蛻舳嗽O(shè)置網(wǎng)絡(luò)連接和響應(yīng)超時(shí)時(shí)間，并且超時(shí)時(shí)間要小于鎖的失效時(shí)間。（假設(shè)鎖自動(dòng)失效時(shí)間為10秒，則超時(shí)時(shí)間一般在5-50毫秒之間,我們就假設(shè)超時(shí)時(shí)間是50ms吧）。如果超時(shí)，跳過該master節(jié)點(diǎn)，盡快去嘗試下一個(gè)master節(jié)點(diǎn)。
• 3.客戶端使用當(dāng)前時(shí)間減去開始獲取鎖時(shí)間（即步驟1記錄的時(shí)間），得到獲取鎖使用的時(shí)間。當(dāng)且僅當(dāng)超過一半（N/2+1，這里是5/2+1=3個(gè)節(jié)點(diǎn)）的Redis master節(jié)點(diǎn)都獲得鎖，并且使用的時(shí)間小于鎖失效時(shí)間時(shí)，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(shí)間就變啦，需要減去獲取鎖所使用的時(shí)間。
• 如果獲取鎖失敗（沒有在至少N/2+1個(gè)master實(shí)例取到鎖，有或者獲取鎖時(shí)間已經(jīng)超過了有效時(shí)間），客戶端要在所有的master節(jié)點(diǎn)上解鎖（即便有些master節(jié)點(diǎn)根本就沒有加鎖成功，也需要解鎖，以防止有些漏網(wǎng)之魚）。

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簡(jiǎn)化下步驟就是：

• 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，是不是要跳過該master節(jié)點(diǎn)。
• 如果大于等于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！

Redisson實(shí)現(xiàn)了redLock版本的鎖，有興趣的小伙伴，可以去了解一下哈~

參考與感謝

• redis系列：分布式鎖^[1]
• 淺析 Redis 分布式鎖解決方案^[2]
• 細(xì)說Redis分布式鎖??^[3]
• Redlock：Redis分布式鎖最牛逼的實(shí)現(xiàn)

Reference