node.js 分布式锁看这篇就够用了

熊明才2024-01-28 13:51

Redis SETNX 命令背后的原理探究

当然，让我们通过一个简单的例子，使用 Redis CLI（命令行界面）来模拟获取锁和释放锁的过程。 在此示例中

  1. 获取锁:
bash 复制代码 
# 首先，设置锁密钥的唯一值和过期时间(秒)
127.0.0.1:6379> SET lock:tcaccount_1234 unique_value NX EX 3
OK

这里，"unique_value"是与锁关联的唯一标识符的占位符(生产环境UUID,随字符串)，"EX 3"将过期时间设置为 3 秒

  1. 在另一个会话或请求中检查并获取锁：
bash 复制代码 
# 其次，检查锁key是否存在，不存在则获取锁
127.0.0.1:6379> SET lock:tcaccount_1234 unique_value NX EX 3
(nil)

第二次尝试返回 nil，因为锁已经存在。 在真实的应用程序中，您将检查结果，如果结果为零，您可能会转到下一个帐户或等待并重试。

  1. 释放锁:
bash 复制代码 
# 通过删除锁定密钥来解除锁定
127.0.0.1:6379> DEL lock:tcaccount_1234
(integer) 1

The DEL 命令用于删除锁键，有效释放锁。 返回的整数值 1 表示删除了一个键。

请注意，这是一个简化的示例，在现实场景中，您通常会使用脚本（例如 Lua 脚本）来使锁的获取和释放原子化，从而防止竞争条件。 这里的示例旨在说明使用 Redis 命令进行锁定的基本原理。

Node.js 程序中集成

bash 复制代码 
node -v # v16.20.2
npm install redis # 笔者版本"redis": "^4.2.0"

node.js redis client.eval() 方法lua脚本如何正确传参

javascript 复制代码 
// redis version 4x:
let result = await client.eval('return {KEYS[1],KEYS[2],ARGV[1],ARGV[2]}', {
  keys: ['key1', 'key2'],
  arguments: ['first', 'second']
}); 
//result =  [ 'key1', 'key2', 'first', 'second' ]

// redis version 3x:
v3Client.eval('return KEYS[1]', '1', 'key', (err, reply) => {
  console.log(reply); // 'key'
});
v3Client.eval('return KEYS[1]', '0', 'argument', (err, reply) => {
  console.log(reply); // 'argument'
});

请注意redis 驱动依赖库版本选择对应的语法

加锁实现

错误加锁方式一分步设置值和过期时间

在分布式加锁中，设置键值和设置过期时间应该是原子操作，以确保在设置键值的同时，也设置了过期时间。如果将这两步操作分开，可能会导致在设置键值后，还未来得及设置过期时间时，其他进程可能已经获取了锁。

下面是你的 JavaScript 代码拆分为两步的示例，并添加了一些中文注释和错误演示：

javascript 复制代码 
// 第一步：设置键值
const setResult = await client.set(lockKey, uniqueValue);

// 第二步：设置过期时间
const expireResult = await client.expire(lockKey, expireTime);

// 检查结果
if (setResult === 'OK' && expireResult === 1) {
    console.log(`[s] 已获取锁 ${resourceKey}`);
    return true;
} else {
    console.log(`[x] 无法获取锁 ${resourceKey}`);
    return false;
}

这里使用 client.set 来设置键值，然后使用 client.expire 来设置过期时间。请注意，这两个操作是分开的，因此在设置键值后，还需要等待过期时间的设置。这样的分步操作可能导致在设置键值后，其他进程可能已经获取了锁，因为过期时间还未来得及设置。

错误加锁方式二
js 复制代码 
 const result =   await client.setEx(lockKey, expireTime, uniqueValue);
        if (result === 'OK') {
            console.log(`[s] 已获取锁 ${resourceKey}`);
            return true;
        } else {
            console.log(`[x] 无法获取锁 ${resourceKey}`);
            return false;
        }

如图所示怎样加锁并不是原子性

java go 语言中这种方式可行，但是时在 node.js redis 4.2.0 中并不能避免并发问题（见下gif 动图演示）

正确的 Lua脚本用于原子获取锁
javascript 复制代码 
        // 锁的键和值
        const lockKey = `lock:${resourceKey}`;

       // Lua脚本用于原子获取锁
        const luaScript = `
          if redis.call('SET', KEYS[1], ARGV[1], 'NX', 'EX', ARGV[2]) then
            return 1
          else
            return 0
          end
        `;

        // 执行Lua脚本
        const result = await client.eval(luaScript, {
            keys: [lockKey],
            arguments: [uniqueValue, `${expireTime}`]
        });
        if (result === 1) {
            console.log(`[s] 已获取锁 ${resourceKey}`);
            return true;
        } else {
            console.log(`[x] 无法获取锁 ${resourceKey}`);
            return false;
        }
    }

释放锁的实现

释放锁时需要验证value值，也就是说我们在获取锁的时候需要设置一个value，不能直接用del key这种粗暴的方式，因为直接del key任何客户端都可以进行解锁了，所以解锁时，我们需要判断锁是否是自己的，基于value值来判断，代码如下

js 复制代码 
 
/**
 * 释放锁
 * @param resourceKey 资源键名
 * @param uniqueValue 唯一值，用于验证锁的所有者(建议:UUID)
 * @returns 是否成功释放锁
 */
    async function unlock(resource, uniqueValue) {
        const lockKey = `lock:${resource}`;
        const luaScript = `
          if redis.call("GET", KEYS[1]) == ARGV[1] then
            return redis.call("DEL", KEYS[1])
          else
            return 0
          end
        `;
        const result = await client.eval(luaScript, {
            keys: [lockKey],
            arguments: [uniqueValue]
        });

        if (result === 1) {
            console.log('[s] 锁释放成功');
        } else {
            console.log('[x] 锁释放失败，可能锁已经被其他客户端更新');
        }
    }

在释放锁的操作中，使用 uniqueValue 的唯一值是为了确保只有持有相应唯一值的客户端才能成功释放锁。这是为了防止其他客户端错误地释放了不属于它们的锁。

具体来说，释放锁的 Lua 脚本中的这部分逻辑：

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

这段脚本首先检查锁的当前持有者是否与传入的 uniqueValue 相匹配。如果匹配，说明当前调用释放锁的客户端是锁的所有者，然后执行 DEL 命令删除锁。如果不匹配，则返回 0，表示释放锁失败。

使用 uniqueValue 的好处是：

  1. 确保只有锁的所有者才能释放锁： 持有相应 uniqueValue 的客户端才能成功释放锁。如果其他客户端尝试使用不同的 uniqueValue 释放锁，Lua 脚本会拒绝操作，保护了锁的所有权。

  2. 防止误释放： 避免了其他客户端误操作释放了不属于它们的锁。如果不使用唯一值，任何客户端都可以尝试释放锁，这可能导致竞争条件和不一致性。

在分布式系统中，确保释放锁的操作是安全和可靠的是至关重要的，使用唯一值是一种有效的方式。通常，可以使用唯一标识符（如 UUID）作为 uniqueValue，以确保其唯一性。

应用场景

多台机器定时任务重复执行（如：日终对账，0点0分只有一个任务去工作，其他没拿到锁跳过了任务）

订单超卖（如：操作同一商品库存时，保证并发下唯一个任务拿到库存数去做扣库存，创建订单操作）

完整脚本如下

javascript 复制代码 
const {createClient} = require('redis');
const {generateUUID} = require("../models/utl");
(async ()=> {
    const client = await createClient()
        .on('error', err => console.log('Redis Client Error', err))
        .connect();
    async function lock(resourceKey, uniqueValue, expireTime = 10) {

        // 锁的键和值
        const lockKey = `lock:${resourceKey}`;
     /*   const result =   await client.setEx(lockKey, expireTime, uniqueValue);
        if (result === 'OK') {
            console.log(`[s] 已获取锁 ${resourceKey}`);
            return true;
        } else {
            console.log(`[x] 无法获取锁 ${resourceKey}`);
            return false;
        }
*/
       // Lua脚本用于原子获取锁
        const luaScript = `
          if redis.call('SET', KEYS[1], ARGV[1], 'NX', 'EX', ARGV[2]) then
            return 1
          else
            return 0
          end
        `;

        // 执行Lua脚本
        const result = await client.eval(luaScript, {
            keys: [lockKey],
            arguments: [uniqueValue, `${expireTime}`]
        });
        if (result === 1) {
            console.log(`[s] 已获取锁 ${resourceKey}`);
            return true;
        } else {
            console.log(`[x] 无法获取锁 ${resourceKey}`);
            return false;
        }
    }

    async function unlock(resource, uniqueValue) {
        const lockKey = `lock:${resource}`;
        const luaScript = `
          if redis.call("GET", KEYS[1]) == ARGV[1] then
            return redis.call("DEL", KEYS[1])
          else
            return 0
          end
        `;
        const result = await client.eval(luaScript, {
            keys: [lockKey],
            arguments: [uniqueValue]
        });

        if (result === 1) {
            console.log('[s] 锁释放成功');
        } else {
            console.log('[x] 锁释放失败，可能锁已经被其他客户端更新');
        }
    }

    async function exampleUsage(resource) {

        const uniqueValue = generateUUID();
        const isLockAcquired = await lock(resource, uniqueValue);

        if (isLockAcquired) {
            try {
                // 在这里执行受锁保护的代码

                // 模拟一些处理时间
                await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 5000));

            } finally {
                // 最后释放锁
                unlock(resource, uniqueValue);
            }
        } else {
            console.log('[x] 未获取锁。 另一个进程可能正在持有锁。');
        }
    }
    const resourcePk = 'account_id123'
    let taskList = []
    for (let i = 0; i < 10; i++) {
        taskList.push( exampleUsage(resourcePk))
    }
    //并发拿同一账号
    await Promise.all(taskList);
    await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 6000));
    //测试重新获取锁
    await exampleUsage(resourcePk);

})()
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