種方案前言
日常開發中，秒殺下單、搶紅包等等業務場景，都需要用到分佈式鎖。而Redis非常適合作爲分佈式鎖使用。本文將分七個方案展開，跟大家探討Redis分佈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，一起學習一起進步。
-
什麼是分佈式鎖 -
方案一：SETNX + EXPIRE -
方案二：SETNX + value值是（系統時間+過期時間） -
方案三：使用Lua腳本(包含SETNX + EXPIRE兩條指令) -
方案四：SET的擴展命令（SET EX PX NX） -
方案五：SET EX PX NX + 校驗唯一隨機值,再釋放鎖 -
方案六: 開源框架~Redisson -
方案七：多機實現的分佈式鎖Redlock
什麼是分佈式鎖
❝分佈式鎖其實就是，控制分佈式系統不同進程共同訪問共享資源的一種鎖的實現。如果不同的系統或同一個系統的不同主機之間共享了某個臨界資源，往往需要互斥來防止彼此干擾，以保證一致性。
❞
我們先來看下，一把靠譜的分佈式鎖應該有哪些特徵：
-
「互斥性」: 任意時刻，只有一個客戶端能持有鎖。 -
「鎖超時釋放」：持有鎖超時，可以釋放，防止不必要的資源浪費，也可以防止死鎖。 -
「可重入性」:一個線程如果獲取了鎖之後,可以再次對其請求加鎖。 -
「高性能和高可用」：加鎖和解鎖需要開銷儘可能低，同時也要保證高可用，避免分佈式鎖失效。 -
「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分佈式鎖方案一：SETNX + EXPIRE
提到Redis的分佈式鎖，很多小夥伴馬上就會想到setnx+ expire命令。即先用setnx來搶鎖，如果搶到之後，再用expire給鎖設置一個過期時間，防止鎖忘記了釋放。
❝SETNX 是SET IF NOT EXISTS的簡寫.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key已經存在了，則返回0。
❞
假設某電商網站的某商品做秒殺活動，key可以設置爲key_resource_id,value設置任意值，僞代碼如下：
if（jedis.setnx(key_resource_id,lock_value) == 1）{ //加鎖
expire（key_resource_id，100）; //設置過期時間
try {
do something //業務請求
}catch(){
}
finally {
jedis.del(key_resource_id); //釋放鎖
}
}
但是這個方案中，setnx和expire兩個命令分開了，「不是原子操作」。如果執行完setnx加鎖，正要執行expire設置過期時間時，進程crash或者要重啓維護了，那麼這個鎖就“長生不老”了，「別的線程永遠獲取不到鎖啦」。
Redis分佈式鎖方案二：SETNX + value值是(系統時間+過期時間)
爲了解決方案一，「發生異常鎖得不到釋放的場景」，有小夥伴認爲，可以把過期時間放到setnx的value值裏面。如果加鎖失敗，再拿出value值校驗一下即可。加鎖代碼如下：
long expires = System.currentTimeMillis() + expireTime; //系統時間+設置的過期時間
String expiresStr = String.valueOf(expires);
// 如果當前鎖不存在，返回加鎖成功
if (jedis.setnx(key_resource_id, expiresStr) == 1) {
return true;
}
// 如果鎖已經存在，獲取鎖的過期時間
String currentValueStr = jedis.get(key_resource_id);
// 如果獲取到的過期時間，小於系統當前時間，表示已經過期
if (currentValueStr != null && Long.parseLong(currentValueStr) < System.currentTimeMillis()) {
// 鎖已過期，獲取上一個鎖的過期時間，並設置現在鎖的過期時間（不瞭解redis的getSet命令的小夥伴，可以去官網看下哈）
String oldValueStr = jedis.getSet(key_resource_id, expiresStr);
if (oldValueStr != null && oldValueStr.equals(currentValueStr)) {
// 考慮多線程併發的情況，只有一個線程的設置值和當前值相同，它纔可以加鎖
return true;
}
}
//其他情況，均返回加鎖失敗
return false;
}
這個方案的優點是，巧妙移除expire單獨設置過期時間的操作，把「過期時間放到setnx的value值」裏面來。解決了方案一發生異常，鎖得不到釋放的問題。但是這個方案還有別的缺點：
❝❞
過期時間是客戶端自己生成的（System.currentTimeMillis()是當前系統的時間），必須要求分佈式環境下，每個客戶端的時間必須同步。 如果鎖過期的時候，併發多個客戶端同時請求過來，都執行jedis.getSet()，最終只能有一個客戶端加鎖成功，但是該客戶端鎖的過期時間，可能被別的客戶端覆蓋 該鎖沒有保存持有者的唯一標識，可能被別的客戶端釋放/解鎖。
Redis分佈式鎖方案三：使用Lua腳本(包含SETNX + EXPIRE兩條指令)
實際上，我們還可以使用Lua腳本來保證原子性（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);
這個方案，跟方案二對比，你覺得哪個更好呢？
Redis分佈式鎖方案方案四：SET的擴展命令（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指令擴展參數！（SET key value[EX seconds][PX milliseconds][NX|XX]），它也是原子性的！
❝SET key value[EX seconds][PX milliseconds][NX|XX]
❞
NX :表示key不存在的時候，才能set成功，也即保證只有第一個客戶端請求才能獲得鎖，而其他客戶端請求只能等其釋放鎖，才能獲取。 EX seconds :設定key的過期時間，時間單位是秒。 PX milliseconds: 設定key的過期時間，單位爲毫秒 XX: 僅當key存在時設置值
僞代碼demo如下：
if（jedis.set(key_resource_id, lock_value, "NX", "EX", 100s) == 1）{ //加鎖
try {
do something //業務處理
}catch(){
}
finally {
jedis.del(key_resource_id); //釋放鎖
}
}
但是呢，這個方案還是可能存在問題：
-
問題一： 「鎖過期釋放了，業務還沒執行完」。假設線程a獲取鎖成功，一直在執行臨界區的代碼。但是100s過去後，它還沒執行完。但是，這時候鎖已經過期了，此時線程b又請求過來。顯然線程b就可以獲得鎖成功，也開始執行臨界區的代碼。那麼問題就來了，臨界區的業務代碼都不是嚴格串行執行的啦。 -
問題二： 「鎖被別的線程誤刪」。假設線程a執行完後，去釋放鎖。但是它不知道當前的鎖可能是線程b持有的（線程a去釋放鎖時，有可能過期時間已經到了，此時線程b進來佔有了鎖）。那線程a就把線程b的鎖釋放掉了，但是線程b臨界區業務代碼可能都還沒執行完呢。
方案五：SET EX PX NX + 校驗唯一隨機值,再刪除
既然鎖可能被別的線程誤刪，那我們給value值設置一個標記當前線程唯一的隨機數，在刪除的時候，校驗一下，不就OK了嘛。僞代碼如下：
if（jedis.set(key_resource_id, uni_request_id, "NX", "EX", 100s) == 1）{ //加鎖
try {
do something //業務處理
}catch(){
}
finally {
//判斷是不是當前線程加的鎖,是才釋放
if (uni_request_id.equals(jedis.get(key_resource_id))) {
jedis.del(lockKey); //釋放鎖
}
}
}
在這裏，「判斷是不是當前線程加的鎖」和「釋放鎖」不是一個原子操作。如果調用jedis.del()釋放鎖的時候，可能這把鎖已經不屬於當前客戶端，會解除他人加的鎖。
爲了更嚴謹，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分佈式鎖方案六：Redisson框架
方案五還是可能存在「鎖過期釋放，業務沒執行完」的問題。有些小夥伴認爲，稍微把鎖過期時間設置長一些就可以啦。其實我們設想一下，是否可以給獲得鎖的線程，開啓一個定時守護線程，每隔一段時間檢查鎖是否還存在，存在則對鎖的過期時間延長，防止鎖過期提前釋放。
當前開源框架Redisson解決了這個問題。我們一起來看下Redisson底層原理圖吧：
只要線程一加鎖成功，就會啓動一個watch dog看門狗，它是一個後臺線程，會每隔10秒檢查一下，如果線程1還持有鎖，那麼就會不斷的延長鎖key的生存時間。因此，Redisson就是使用Redisson解決了「鎖過期釋放，業務沒執行完」問題。
Redis分佈式鎖方案七：多機實現的分佈式鎖Redlock+Redisson
前面六種方案都只是基於單機版的討論，還不是很完美。其實Redis一般都是集羣部署的：
如果線程一在Redis的master節點上拿到了鎖，但是加鎖的key還沒同步到slave節點。恰好這時，master節點發生故障，一個slave節點就會升級爲master節點。線程二就可以獲取同個key的鎖啦，但線程一也已經拿到鎖了，鎖的安全性就沒了。
爲了解決這個問題，Redis作者 antirez提出一種高級的分佈式鎖算法：Redlock。Redlock核心思想是這樣的：
❝搞多個Redis master部署，以保證它們不會同時宕掉。並且這些master節點是完全相互獨立的，相互之間不存在數據同步。同時，需要確保在這多個master實例上，是與在Redis單實例，使用相同方法來獲取和釋放鎖。
❞
我們假設當前有5個Redis master節點，在5臺服務器上面運行這些Redis實例。
RedLock的實現步驟:如下
❝❞
1.獲取當前時間，以毫秒爲單位。 2.按順序向5個master節點請求加鎖。客戶端設置網絡連接和響應超時時間，並且超時時間要小於鎖的失效時間。（假設鎖自動失效時間爲10秒，則超時時間一般在5-50毫秒之間,我們就假設超時時間是50ms吧）。如果超時，跳過該master節點，儘快去嘗試下一個master節點。 3.客戶端使用當前時間減去開始獲取鎖時間（即步驟1記錄的時間），得到獲取鎖使用的時間。當且僅當超過一半（N/2+1，這裏是5/2+1=3個節點）的Redis master節點都獲得鎖，並且使用的時間小於鎖失效時間時，鎖纔算獲取成功。（如上圖，10s> 30ms+40ms+50ms+4m0s+50ms） 如果取到了鎖，key的真正有效時間就變啦，需要減去獲取鎖所使用的時間。 如果獲取鎖失敗（沒有在至少N/2+1個master實例取到鎖，有或者獲取鎖時間已經超過了有效時間），客戶端要在所有的master節點上解鎖（即便有些master節點根本就沒有加鎖成功，也需要解鎖，以防止有些漏網之魚）。
簡化下步驟就是：
-
按順序向5個master節點請求加鎖 -
根據設置的超時時間來判斷，是不是要跳過該master節點。 -
如果大於等於3個節點加鎖成功，並且使用的時間小於鎖的有效期，即可認定加鎖成功啦。 -
如果獲取鎖失敗，解鎖！
Redisson實現了redLock版本的鎖，有興趣的小夥伴，可以去了解一下哈~
參考與感謝
-
redis系列：分佈式鎖 [1] -
淺析 Redis 分佈式鎖解決方案 [2] -
細說Redis分佈式鎖🔒 [3] -
Redlock：Redis分佈式鎖最牛逼的實現
Reference
redis系列：分佈式鎖: https://juejin.cn/post/6844903656911798285
[2]淺析 Redis 分佈式鎖解決方案: https://www.infoq.cn/article/dvaaj71f4fbqsxmgvdce
[3]細說Redis分佈式鎖🔒: https://juejin.cn/post/6844904082860146695#heading-3
往期推薦
一文掌握Redisson分佈式鎖原理|乾貨推薦
分佈式ID生成的9種方法，特好用！
硬核Redis總結，看這篇就夠了！
本文分享自微信公衆號 - Java中文社羣（javacn666）。
如有侵權，請聯繫 [email protected] 刪除。
本文參與“OSC源創計劃”，歡迎正在閱讀的你也加入，一起分享。