深入理解PHP+Redis实现分布式锁的相关问题

小松聊PHP进阶2024-03-23 16:06

概念

PHP使用分布式锁，受语言本身的限制，有一些局限性。

  • 通俗理解单机锁问题：自家的锁锁自家的门，只能保证自家的事，管不了别人家不锁门引发的问题，于是有了分布式锁。
  • 分布式锁概念：是针对多个节点的锁。避免出现数据不一致或者并发冲突的问题，让每个节点确保在任意时刻只有一个节点能够对公共资源进行操作，单机的锁只能够单节点使用，多节点防不住。
  • 核心原理：分布式锁的核心原理，就是在每个节点执行时，先去一个公共的地方判断是否持有锁，如果有锁就说明资源被占用，没锁就可以持有该资源。
  • 通俗举例：多个部门，开部门会议，需要占用会议室的位置，发现会议室门关着，不知道里面有没有人，此时门外面有个牌子说明是会议中，还是会议结束，离老远就知道会议室是不是被占用了，避免会议竞争引起的错乱。

应用场景

  • 分布式排它：保证只有一个节点被访问，常用于秒杀，等并发问题的处理。
  • 分布式任务调度：在分布式任务调度系统中，多个节点可能会竞争执行同一个任务，使用分布式锁可以确保只有一个节点能够执行该任务，避免重复执行和冲突。
  • 并发下数据库事务幻读问题：并发下的MySQL事务当中，插入数据前先判断有没有，没有再插入，从而避免重复，但是其它事务未提交，就检测不到（RR的隔离级别导致的），但是插入相同数据，又会导致唯一约束起作用从而报错，添加分布式锁，从而避免报错。（这场景适用于唯一约束冲突报错很多的场景功能，否则使用了会影响性能）。

分布式锁的特点

  1. 互斥性，相同时间，只能有一个节点会获取该锁，其它节点要么等待要么直接返回失败。
  2. 可重入（单个节点可重复获取该锁且不会发生阻塞），PHP的语言特性不支持。
  3. 安全（获取锁的节点崩溃或失去连接、锁资源会释放）。

可用的存储组件选择

Redis、MySQL（乐观锁、或悲观锁）、ZooKeeper、Etcd、Memcache等存储组件都可以实现分布式锁。 ZooKeeper、Etcd是Java生态，PHP几乎不用。 Memcache很少用了，一般都会用redis。 MySQL性能比不了Redis，高并发过来容易被夯住，数据不会自动过期删除，需要逻辑判断。所以也不用。

分布式锁要求高性能，和自动过期的兜底特性，所以用Redis的set命令刚好。 Redis分布式锁，又称为Redis Distributed Lock，也叫RedLock。

用Redis手动实现分布式锁（示例）

这是花十分钟写出来的例子，不建议商用。

php 复制代码 
class RedLock {
    //声明redis
    private $redis;

    /**
     * @function 构造方法初始化redis
     * @other    void
     */
    public function __construct() {
        $redis = new Redis();
        $redis->connect('127.0.0.1', 6379);
        $this->redis = $redis;
    }


    /**
     * @function 非阻塞分布式锁
     * @param    $key string 锁名称
     * @param    $ttl int    key自动过期时间，单位毫秒
     * @return   array|false 成功返回数组，失败返回false
     * @other    void
     */
    public function addLock($lock_name, $ttl = 10000) {
        $val = base64_encode(openssl_random_pseudo_bytes(32));
        $set = $this->redis->set($lock_name, $val, ['NX', 'PX' => $ttl]);
        if($set === false) {
            return false;
        }

        return ['key' => $lock_name, 'val' => $val];
    }



    /**
     * @function 阻塞式分布式锁
     * @param    $key string 锁名称
     * @param    $ttl int    key自动过期时间，单位毫秒
     * @param    $ttl int    超时时间，单位毫秒
     * @return   array|false 成功返回数组，失败返回false
     * @other    void
     */
    public function addLockSpin($lock_name, $ttl = 10000, $timeout = 3000) {
        $start = bcmul(microtime(true), 1000, 2);
        $val = base64_encode(openssl_random_pseudo_bytes(32));
        $set = $this->redis->set($lock_name, $val, ['NX', 'PX' => $ttl]);
        if($set === false) {
            while(true) {
                //超时
                $start_loop = bcmul(microtime(true), 1000, 2);
                if(bcadd($start, $timeout, 2) <= $start_loop) {
                    return false;
                }

                //尝试获取锁
                $set_loop = $this->redis->set($lock_name, $val, ['NX', 'PX' => $ttl]);
                if($set_loop) {
                    return ['key' => $lock_name, 'val' => $val];
                }

                usleep(50000);
            }
        }

        return ['key' => $lock_name, 'val' => $val];
    }


    /**
     * @function 释放锁资源
     * @param    $key array|false 锁资源
     * @return   bool
     * @other    void
     */
    public function unLock($lock) {
        if($lock === false) {
            return false;
        }

        $script = '
            if redis.call("GET", KEYS[1]) == ARGV[1] then
                return redis.call("DEL", KEYS[1])
            else
                return 0
            end
        ';

        if(! $this->redis->eval($script, [$lock['key'], $lock['val']], 1)) {
            return false;
        }

        return true;
    }
}

$redLock = new RedLock();
if($lock = $redLock->addLockSpin('test_key')) {
    echo '抢到锁了，处理一些业务逻辑';
    $redLock->unLock($lock); //记得及时释放锁资源
} else {
    echo '锁没有抢到';
}

现有的解决方案

java实现分布式锁有redisson，PHP也有自己的包。 看过一些博主的用PHP实现分布式锁，好多没有使用Lua，这没办法保证多条Redis语句原子性的执行。 项目中能用到这种东西的，对于高可用、原子性、稳定性有很强的依赖，所以推荐使用成熟的扩展包。

php 复制代码 
composer require signe/redlock-php
文档：https://packagist.org/packages/signe/redlock-php
执行之后看使用redis的monitor指令查看，发现用了Lua，说明这个包，兼顾了原子性的操作。
我这个是示例，记得无论最后执行成功还是失败，都记得及时释放锁资源。

非自旋写法
$server = new \Redis;
$server->connect('127.0.0.1', 6379);
$servers = [$server,];

$redLock = new \RedLock\RedLock($servers);
$lock = $redLock->lock('my_resource_name', 10000);

if($lock) {
    echo '加锁成功';
    $redLock->unlock($lock);
} else {
    echo '加锁失败';
}


自旋写法
$server = new \Redis;
$server->connect('127.0.0.1', 6379);
$servers = [$server,];

$redLock = new \RedLock\RedLock($servers);
$lock = $redLock->lock('my_resource_name', 10000);

if($lock) {
    echo '加锁成功';
//    $redLock->unlock($lock);
} else {
    while(true) {
        $lock2 = $redLock->lock('my_resource_name', 10000);
        if($lock2) {
            echo '加锁成功2';
            //运行某些代码
            $redLock->unlock($lock2);
            return '';
        } 
    }
}

如果需要：拿到锁后，释放锁前，业务逻辑代码块再对拿到锁的分布式锁续期。 因为redis的key与val值都不变，只变动过期时间，所以使用PEXPIRE指令，也可使用PSETEX指令。 又需要防止这个锁自动过期，已经被其它节点占用，已经改成了其它节点的数据，所以value值需要验证是不是当前锁的value值。 两个操作为了保证原子性，就用到了Lua。

php 复制代码 
//$redLock = new \RedLock\RedLock($servers);
//$lock = $redLock->lock('my_resource_name', 20000);

$script = '
            if redis.call("GET", KEYS[1]) == ARGV[1] then
            	return redis.call("PEXPIRE", KEYS[1], KEYS[2])
            else
                return 0
            end
        ';
$server->eval($script, [$lock['resource'], '毫秒过期时间', $lock['token']], 2);

PHP使用分布式锁的局限性问题

  • 重入性无法实现：PHP这门语言有局限性，不适合和redis结合做分布式锁，分布式锁的重入性无法实现，因为脚本能执行完内存就被回收了，无法像C/C++那样轻松操控进程和线程。
  • 超时问题没有监控机制：没有像redisson一样的watch dog看门狗的机制，去监控业务执行过长导致redis分布式锁自动释放，被其它锁占用的问题。

PHP使用分布式锁，有种东施效颦的感觉。

为什么加锁时set指令要加NX

set指令加nx表示，只有在key不存在的情况下才能设置键值对。 多个节点加锁，获取分布式锁资源，实质就是在redis中设置一条值。因为分布式锁的排它性，同一时间内只能有一个节点可以拿到该锁。 若用set，不加nx，就会产生覆盖，造成业务错乱。

客户端宕机导致锁资源无法释放的死锁问题

redis单线程通常不会发生死锁问题。 Redis在客户端挂掉的情况的情况，会导致分布式锁锁资源无法及时释放，这可能会导致其它节点无法加锁从而阻塞，类似死锁的效果。 添加过期时间做兜底即可。

对高可用：MySQL可以主从，Redis也可以，从而保证分布式锁存储的高可用性。

分布式锁redis操作的原子性问题

就算是redis事务（multi）也是弱事务，仍旧会出现并发安全问题，最好使用Lua+Redis的方式去实现原子性的分布式锁，这会把一些指令集当做一个任务队列去处理，保证原子性。

如何设置拿到锁资源后的超时时间

对于Java，redisson有watch dog的自动监控机制，但是PHP没有。 PHP也很难实现，原因有2：

  • 不知道自动续期的时机：业务流程没走完，分布式锁临近过期才续期，业务流程走完了还续什么期？这个时机，高并发场景下难以获取，净增加复杂度。
  • PHP语言本身缺少锁机制：就算知道了要续期，加锁与续期监控，缺少锁机制的强关联，加锁一个进程，监控又一个进程，进程间通信是一个问题，PHP进程间通信与Redis操作无法原子执行又是一个问题，也就是说就算被通知要续期了，再续期时，锁资源超时自动释放后，可能都被别的节点占用了。

PHP能做的只能是设置更多的超时时间，来防止锁资源自动释放被其它节点抢走。 缺点也很明显，一旦这个节点挂掉，锁资源需要很长时间才能释放，这个时间段的分布式锁无法被任意一个节点使用。

锁资源的错误释放问题

时序图：

步骤 客户端1 客户端2 补充
1 获取锁成功 / /
2 执行中 获取锁失败 客户端1的锁阻塞了客户端2
3 执行中 获取锁失败 客户端2自旋，不断尝试获取锁
4 锁资源到期自动释放 获取锁成功 由于客户端1的锁资源过期，才导致客户端2拿到的分布式锁
5 释放锁 执行中 这一步才是客户端1真正释放(删)锁的时刻，但是由于没做验证，这个释放(删)的过程，会把会话2创建的锁给释放(删)掉，造成误删除

为了避免这个问题，val值可设置为节点标识。 所以redis在get值的时候，需要判断，val值是不是当前的节点标识。 为了保证原子性，查询和删除两个操作需要用Lua脚本。

其次要注意，不管节点程序执行成功或者失败，只要该走的流程走完了，都需要及时释放锁。

分布式锁的可重入问题

PHP解决不了。 假设同一个节点，递归或循环添加分布式锁，是否让同一节点重复加同一把锁，大部分场景不需要，但是也得看业务场景。 这种机制是为了避免第一层循环添加成功，之后失败的问题。

对于非PHP而言，重入问题，还需要再维持一个redis hash，key为锁名，field为节点的唯一标识，value为重入次数，重入1次次数加1。因为重入相当于重新获取锁，但是不会新增锁资源，如果这个时间被删掉，那么重入时会加锁成功，但锁资源被强制释放，此时重入后的业务逻辑还不一定执行完毕。所以删除时需要判断value值是否为0，如果不为0，说明有重入，这两步操作，也是需要再一个Lua脚本中。

分布式锁的自旋机制

自旋可以理解为内部死循环，内部不断重试，直到满足条件，直观感受就是被阻塞。 如果没有自旋，10个节点，只有1个能加锁成功，其余9个失败，如果这9个全部失败掉，看起来差点意思。

因此可以选择被阻塞，期间不断重试，所谓的自旋方案，其实很好理解，重试伪代码如下:

php 复制代码 
while(加锁失败) {
	usleep(10000);
	重新尝试加锁代码
	if(加锁成功) {
		return '加锁成功';
	}
}

此处也可以添加一个次数限制，防止永久死循环的兜底策略
$retry_count = 0;
while(true) {
    $retry_count ++;
    if('加锁成功') {
        return '加锁成功';
    }

    if($retry_count > 20) {
        echo 1;
        return '重试次数过多';
    }
    
    usleep(30000);
}

也可以根据时间去做限制，防止永久死循环的兜底策略
$start_time = microtime(true);
while(true) {
	if('加锁成功') {
		return '加锁成功';
	}

	if($start_time + 5 <= microtime(true)) {
		return '超时';	
	}

	usleep(30000);
}

Redis主从架构对分布式锁的高可用问题

节点1再master上获取到了分布式锁，叫lock1，此时master还没有同步到slave，结果master挂掉了。 此时故障转移，slave做顶梁柱，节点2也获取到了slave的分布式锁，也叫lock1。 这种情况违背了分布式锁的排它性。概率很小，但是有可能发生。 setnx无法解决分布式场景下的锁排它性问题。 这个是运维层面要考虑的东西。

手动实现分布式锁容易被忽略的问题

分布式锁这种工程化的东西，每个零件都有用，虽然RedLock底层用redis set指令实现。

  • 若忘记加超时时间：上锁的节点挂掉没有释放锁资源，其它节点会一直拿不到锁，严重影响业务。
  • 若忘记加value值判断去释放锁：A节点在执行业务逻辑超时，自动释放锁资源被B节点抢去，等A节点执行完业务代码后释放锁，会把B节点的锁删除。
  • 若忘记用Lua脚本：这导致redis在执行任务期间，同一客户端的多个脚本不会在一个Redis内置的任务队列处理，保证不了原子性，超卖的并发安全问题就是这样产生的。
  • 覆盖问题：redis分布式锁设置值时，用的setnx思想（有值则不设置，避免覆盖），若用set，整不好把原先的覆盖掉了。
  • 对于像Java（PHP不行）语言：手动实现可能缺少key的监控过期，以及重入性问题。
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