Redis分布式锁及其常见问题解决方案

栗筝i2023-09-21 11:23

Redis 是一种内存中的数据结构存储系统，它可以用作数据库、缓存和消息代理。由于其高性能和灵活的数据结构，Redis 被广泛应用在各种场景中，包括实现分布式锁。

分布式锁是一种在分布式系统中实现互斥访问的技术。在许多实际应用场景中，我们需要确保某些操作在同一时间只能被一个节点执行，例如更新共享资源、处理任务队列等。这时，我们就需要使用到分布式锁。

Redis 提供了一种简单有效的分布式锁实现方式。其基本思想是使用 Redis 的 SETNX 命令，这个命令可以在键不存在时设置值，如果键已存在则不做任何操作。通过这个原子操作，我们可以实现在多个节点之间的互斥访问。

然而，虽然 Redis 分布式锁的实现相对简单，但在实际使用中还需要考虑很多问题，例如锁的超时和续期问题、锁的公平性问题、网络分区的问题等。在接下来的文章中，我们将详细介绍这些问题以及解决方案。

文章目录

1、Redis分布式锁简介
1.1、关于分布式锁

在一个分布式系统中，当一个线程去读取数据并修改的时候，因为读取和更新保存不是一个原子操作，在并发时就很容易遇到并发问题，进而导致数据的不正确。这种场景很常见，比如电商秒杀活动，库存数量的更新就会遇到。如果是单机应用，直接使用本地锁就可以避免。如果是分布式应用，本地锁派不上用场，这时就需要引入分布式锁来解决。

一般来说，实现分布式锁的方式有以下几种：

  1. 使用 MySQL：这种方式是通过在数据库中创建一个唯一索引的表，然后通过插入一条数据来获取锁，如果插入成功则获取锁成功，否则获取锁失败。释放锁的操作就是删除这条数据。这种方式的优点是实现简单，缺点是性能较低，因为涉及到数据库的操作。
  2. 使用 ZooKeeper：ZooKeeper 提供了一个原生的分布式锁实现。其基本思想是创建一个临时有序节点，然后判断自己是否是所有子节点中序号最小的，如果是则获取锁成功，否则监听比自己序号小的节点，当该节点删除时再次尝试获取锁。这种方式的优点是能够保证公平性，缺点是实现较为复杂。
  3. 使用 Redis：这种方式是通过 Redis 的 SETNX 命令来实现的，这个命令可以在键不存在时设置值，如果键已存在则不做任何操作。通过这个原子操作，我们可以实现在多个节点之间的互斥访问。这种方式的优点是性能高，实现简单，缺点是需要处理锁的超时和续期问题。
1.2、Redis分布式锁概述

在 Redis 中，我们可以使用 SETNX 命令来实现分布式锁。以下是具体的步骤：

  1. 加锁：客户端使用 SETNX key value 命令尝试设置一个键，其中 key 是锁的名称，value 是一个唯一标识符（例如 UUID），用于标识加锁的客户端。如果键不存在，SETNX 命令会设置键的值并返回 1，表示加锁成功；如果键已存在，SETNX 命令不会改变键的值并返回 0，表示加锁失败。
  1. 执行业务操作：客户端在成功获取锁后，可以执行需要保护的业务操作。
  2. 解锁：客户端在完成业务操作后，需要释放锁以让其他客户端可以获取锁。为了确保只有加锁的客户端可以解锁，客户端需要先获取锁的值（即唯一标识符），然后比较锁的值和自己的唯一标识符是否相同，如果相同则使用 DEL key 命令删除键以释放锁。
2、Redis分布式锁的问题及解决方案
2.1、锁超时机制

以下是一个基本的 Redis 分布式锁的使用流程：

  1. 客户端 A 发送一个 SETNX lock.key 命令，如果返回 1，那么客户端 A 获得锁。
  2. 客户端 A 执行完毕后，通过 DEL lock.key 命令释放锁。

然而，这种最基本的锁存在一个问题，那就是如果客户端 A 在执行完毕后，因为某些原因（比如崩溃或网络问题）无法发送 DEL 命令来释放锁，那么其他客户端将永远无法获得锁。为了解决这个问题，我们需要引入锁的超时机制。

下是一个带有超时机制的 Redis 分布式锁的使用流程：

  1. 客户端 A 发送一个 SETNX lock.key 命令，如果返回 1，那么客户端 A 获得锁。
  2. 客户端 A 通过 EXPIRE lock.key timeout 命令设置锁的超时时间。
  3. 客户端 A 执行完毕后，通过 DEL lock.key 命令释放锁。

这样，即使客户端 A 在执行完毕后无法释放锁，其他客户端也可以在锁超时后获得锁。

2.2、锁续期机制

然而，这种带有超时机制的锁还存在一个问题，那就是如果客户端 A 在锁即将超时时仍在执行，那么锁可能会被其他客户端获得，从而导致多个客户端同时持有锁。为了解决这个问题，我们需要引入锁的续期机制。

以下是一个带有续期机制的 Redis 分布式锁的使用流程：

  1. 客户端 A 发送一个 SETNX lock.key 命令，如果返回 1，那么客户端 A 获得锁。
  2. 客户端 A 通过 EXPIRE lock.key timeout 命令设置锁的超时时间。
  3. 客户端 A 在执行过程中，定期通过 EXPIRE lock.key timeout 命令续期锁。
  4. 客户端 A 执行完毕后，通过 DEL lock.key 命令释放锁。

这样，即使客户端 A 的执行时间超过了最初的超时时间，也可以通过续期机制保证锁的互斥性。

2.3、误删锁问题

引入锁的续期机制可以解决锁提前过期的问题，但是并不能解决解锁时可能删除其他线程锁的问题。这是因为，即使有了续期机制，仍然存在这样一种情况：线程 A 在锁即将过期时仍在执行业务逻辑，此时锁过期，线程 B 获取到了锁，然后线程 A 执行完业务逻辑，尝试去删除锁，结果删除的是线程 B 的锁。

为了解决这个问题，我们可以使用 Redis 的 Lua 脚本功能，将这三个操作封装在一个 Lua 脚本中，然后使用 EVAL 命令执行这个 Lua 脚本。由于 Redis 会单线程顺序执行所有命令，因此 EVAL 命令可以保证 Lua 脚本中的操作是原子的。

以下是一个使用 Lua 脚本实现解锁的例子：

lua 复制代码 
if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
    return redis.call("del",KEYS[1])
else
    return 0
end

在这个 Lua 脚本中，我们首先使用 get 命令获取锁的值，然后比较锁的值和客户端的唯一标识符，如果相同则使用 del 命令删除锁。

客户端可以使用以下命令执行这个 Lua 脚本：

shell 复制代码 
EVAL script 1 key value

其中，script 是 Lua 脚本的内容，key 是锁的名称，value 是客户端的唯一标识符

2.4、脑裂问题与Redlock

在 Redis 集群中，如果主节点在同步锁到从节点之前挂掉，那么从节点在升级为主节点后可能会误认为锁不存在，从而允许其他客户端获取锁，这就导致了同一把锁被多个客户端同时持有的问题。

为了解决这个问题，我们可以使用 RedLock 算法。RedLock 是 Redis 官方推荐的一种分布式锁实现算法，其基本思想是在多个独立的 Redis 节点上同时尝试获取锁，只有当大多数的 Redis 节点都成功获取到锁时，才认为整个操作成功。

以下是 RedLock 算法的基本步骤：

  1. 获取当前时间，以毫秒为单位。
  2. 依次尝试在所有 Redis 节点上获取锁，每个尝试都有一个固定的超时时间。如果获取锁失败，立即返回，不再尝试其他节点。
  3. 如果成功获取到了大多数的 Redis 节点的锁，并且获取锁的总时间小于锁的有效期，那么整个操作成功。
  4. 如果获取锁的总时间大于锁的有效期，或者没有成功获取到大多数的 Redis 节点的锁，那么在所有 Redis 节点上释放锁。
  5. 如果整个操作成功，那么锁的有效期就是原来的有效期减去获取锁的总时间。

以上就是 RedLock 算法的基本步骤。通过在多个独立的 Redis 节点上同时尝试获取锁，RedLock 算法可以在一定程度上解决主节点挂掉导致的锁丢失问题。然而，需要注意的是，RedLock 算法并不能完全保证锁的安全性，因为在网络分区或者节点时间不同步的情况下，仍然可能出现同一把锁被多个客户端同时持有的问题。因此，在使用 RedLock 算法时，需要根据实际情况进行详细的设计和测试。

2.5、公平性问题

此外，在 Redis 分布式锁的实现中，锁的公平性可能会成为一个问题。所谓公平性，是指当多个客户端同时请求锁时，锁应该被按照请求的顺序分配。然而，由于网络延迟和 Redis 的单线程模型，Redis 分布式锁无法保证公平性。具体来说，当多个客户端同时请求锁时，由于网络延迟，这些请求可能会在不同的时间到达 Redis，而 Redis 会按照请求到达的顺序分配锁，这可能与客户端的请求顺序不同。此外，即使多个请求同时到达 Redis，由于 Redis 的单线程模型，Redis 也只能依次处理这些请求，而处理的顺序可能与客户端的请求顺序不同。

因此，如果你的应用需要公平的分布式锁，你可能需要使用其他的分布式锁实现，例如基于 ZooKeeper 的分布式锁。ZooKeeper 的分布式锁通过在锁的节点下创建顺序临时节点，并通过比较自己的节点是否为最小节点来判断是否获取到锁，从而保证了锁的公平性。

3、Java下Redis分布式锁实现
3.1、Jedis实现

在 Java 中，我们可以使用 Jedis 或 Lettuce 这样的 Redis 客户端库来实现 Redis 分布式锁。以下是一个基本的实现示例：

java 复制代码 
import redis.clients.jedis.Jedis;

public class RedisLock {
    private Jedis jedis;
    private String lockKey;
    private String lockValue;
    private int expireTime;
    private boolean locked = false;

    public RedisLock(Jedis jedis, String lockKey, int expireTime) {
        this.jedis = jedis;
        this.lockKey = lockKey;
        this.expireTime = expireTime;
        this.lockValue = Thread.currentThread().getId() + "-" + System.nanoTime();
    }

    public boolean lock() {
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        while (true) {
            String result = jedis.set(lockKey, lockValue, "NX", "PX", expireTime);
            if ("OK".equals(result)) {
                locked = true;
                return true;
            }
            // 如果没有获取到锁，需要稍微等待一下再尝试
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            // 如果尝试获取锁超过了expireTime，那么返回失败
            if (System.currentTimeMillis() - startTime > expireTime) {
                return false;
            }
        }
    }

    public void unlock() {
        if (!locked) {
            return;
        }
        String script = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
        jedis.eval(script, 1, lockKey, lockValue);
    }
}

在这个示例中，我们使用 set 命令的 NX 和 PX 选项来实现锁的获取和超时设置，使用 Lua 脚本来实现安全的解锁操作。我们还使用了一个 while 循环来不断尝试获取锁，直到成功获取锁或者超过了尝试的时间。

然而，这个示例并没有实现锁的续期机制。为了实现续期机制，我们需要在另一个线程中定期检查锁的剩余时间，如果剩余时间不足，那么就需要使用 expire 命令来重新设置锁的超时时间。这需要更复杂的代码来实现，例如使用 Java 的 ScheduledExecutorService 来定期执行续期操作。

3.2、SpringBoot实现

在 Spring Boot 中，我们可以使用 Redisson 这个 Redis 客户端库来实现 Redis 分布式锁。Redisson 提供了一套丰富的分布式服务，包括分布式锁、分布式集合、分布式队列等，而且 Redisson 已经内置了锁的超时、续期机制，并解决了误删锁问题。

以下是一个基本的使用 Redisson 实现 Redis 分布式锁的示例：

java 复制代码 
import org.redisson.Redisson;
import org.redisson.api.RLock;
import org.redisson.api.RedissonClient;
import org.redisson.config.Config;
import org.springframework.stereotype.Component;

import javax.annotation.PostConstruct;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

@Component
public class RedissonDistributedLocker {

    private RedissonClient redissonClient;

    @PostConstruct
    public void init() {
        Config config = new Config();
        config.useSingleServer().setAddress("redis://127.0.0.1:6379");
        redissonClient = Redisson.create(config);
    }

    public void lock(String lockKey) {
        RLock lock = redissonClient.getLock(lockKey);
        // Wait for 100 seconds and automatically unlock it after 10 seconds
        lock.lock(10, TimeUnit.SECONDS);
    }

    public void unlock(String lockKey) {
        RLock lock = redissonClient.getLock(lockKey);
        lock.unlock();
    }
}

在这个示例中，我们首先在 init 方法中创建了一个 RedissonClient 实例，然后在 lock 方法中获取了一个 RLock 对象，并调用其 lock 方法来获取锁。在 unlock 方法中，我们同样获取了一个 RLock 对象，并调用其 unlock 方法来释放锁。

需要注意的是，Redisson 的 lock 方法会自动续期，只要持有锁的线程还在运行，锁就会一直被续期，直到线程结束或者显式调用 unlock 方法。因此，我们不需要手动实现续期机制。此外，Redisson 的 unlock 方法会检查当前线程是否持有锁，只有持有锁的线程才能释放锁，这解决了误删锁问题。

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