Redis实现分布式锁

分布式锁

一、前言
二、Redis实现分布式锁
三、分布式锁的误删问题
四、原子性问题
总结

一、前言

在单体应用中，我们可以使用 Java 的 synchronized 或 ReentrantLock 来保证多个线程对共享资源的互斥访问。这些锁都依赖于单一的 JVM 进程------锁监视器存在于同一个堆内存中，不同线程看到的是同一把锁。

然而在分布式集群环境下，多个服务实例运行在不同的 JVM 进程中，每个进程都有自己独立的内存空间，单体锁无法跨越 JVM 实现线程互斥。此时就需要一把所有进程都能"看见"的公共锁，这就是分布式锁。

分布式锁是跨进程、跨机器可见的互斥锁，它能保证在分布式系统中，同一时刻只有一个进程或线程可以执行临界区代码。实现分布式锁的方式有很多，如数据库、ZooKeeper、Etcd，Redis 等。

二、Redis实现分布式锁

Redis 实现分布式锁主要依赖两个关键操作：

获取锁：互斥且非阻塞。尝试设置一个 key，仅当 key 不存在时才写入，这就能保证只有一个客户端能成功获取锁。

bash 复制代码

#添加锁，利用setnx的互斥特性
SETNX lock thread1
#添加锁过期时间，避免服务宕机引起的死锁
EXPIRE lock 10

SETNX 和 EXPIRE 是两个独立的命令，不具备原子性。如果在执行 SETNX 成功后、EXPIRE 执行前服务器突然宕机，这个锁 key 将永远不会过期，造成死锁。因此为保证原子性修改为

bash 复制代码

SET lock thread1 EX 10 NX

释放锁：删除该 key，或让 key 自动过期。

bash 复制代码

DEL key

Java 代码实现如下所示，

java 复制代码

@Override
public boolean tryLock(long timeoutSec) {
    // 获取线程标示
    long threadId = Thread.currentThread().getId();
    // 获取锁
    Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue()
           .setIfAbsent(KEY_PREFIX + name, threadId + "", timeoutSec, TimeUnit.SECONDS);
    return Boolean.TRUE.equals(success);
}

@Override
public void unlock() {
    // 释放锁
    stringRedisTemplate.delete(KEY_PREFIX + name);
}

三、分布式锁的误删问题

由于线程阻塞导致的删除其他人的锁

对于下面的情况：线程 1 获取锁成功，业务执行耗时较长（如 GC 停顿、网络延迟、阻塞等），锁在业务完成前自动过期了（蓝色线）。随后线程 2 成功获取锁，开始业务执行。线程 1 的阻塞恢复后，业务执行完成，调用 unlock() 删除了锁，但此时锁实际上属于线程 2。线程 3 在锁被误删后也能获取锁，造成并发安全问题

解决方案：释放锁时进行标识判断

因此，在获取锁时，还要存储当前持有者的唯一标识。释放锁时，先判断锁中的标识是否与当前请求者一致，一致才删除，否则不做任何操作。

修改内容如下

添加全局唯一的前缀（可以用UUID表示），如果只存线程 ID，在分布式环境中可能发生碰撞，不同 JVM 中的线程 ID 都是从 1 开始自增的，可能出现相同值。
- Key：lock:业务名称，例如 lock:seckill。
- Value：UUID前缀 + "-" + 线程ID，例如 a1b2-3，用来标识是谁持有了锁。
在释放锁时先获取锁中的线程标示，判断是否与当前线程标示一致
如果一致则释放锁，如果不一致则不释放锁

key 的值：JVM唯一前缀（UUID） + 线程ID

ID_PREFIX/UUID：区分不同 JVM进程，不同 JVM 进程生成的 UUID不同

线程ID：区分同一个 JVM 下的不同线程

java 复制代码

private static final String KEY_PREFIX ="lock:";
private static final String ID_PREFIx =UUID.randomUUID().toString(isSimple:true) + "-";

@Override
public boolean tryLock(long timeoutSec) {
    // 获取线程标示
    String threadId = ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId();
    // 获取锁
    Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue()
           .setIfAbsent(KEY_PREFIX + name, threadId, timeoutSec, TimeUnit.SECONDS);
    return Boolean.TRUE.equals(success);
}


@Override
public void unlock() {
    // 获取线程标示
    String threadId = ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId();
    // 获取锁中的标示
    String id = stringRedisTemplate.opsForValue().get(KEY_PREFIX + name);
    // 判断标示是否一致
    if(threadId.equals(id)) {
        // 释放锁
        stringRedisTemplate.delete(KEY_PREFIX + name);
    }
}

四、原子性问题

判断锁标识和释放锁是两个步骤，判断后阻塞了，也会误删锁，需要保证两个操作的原子性

上述 unlock 方法中，"判断锁标识"和"释放锁"是两个独立的 Redis 操作，不具备原子性。如果线程 A 在判断 threadId.equals(id) 为 true 后、执行 delete 之前，恰好锁过期，线程 B 获得了锁并写入了自己的标识，此时线程 A 的 delete 就会把线程 B 的锁误删。

1.Lua脚本语法

Redis 单线程执行 Lua 脚本，可以把多个命令打包成原子操作。

（1）Redis 提供的 Lua 调用函数

在 Lua 脚本中，可以通过 redis.call('命令名称', 'key', '参数', ...) 来执行 Redis 命令。例如：

lua 复制代码

-- 执行 set name jack
redis.call('set', 'name', 'jack')

-- 先执行 set，再执行 get，并把结果赋给 local 变量
local name = redis.call('get', 'name')
return name

（2）Redis 如何执行 Lua 脚本

在 Redis 客户端中，可以使用 EVAL 命令来执行 Lua 脚本，语法如下：

lua 复制代码

EVAL script numkeys key [key ...] arg [arg ...]

script：双引号包裹的 Lua 脚本字符串。
numkeys：脚本中 KEY 类型参数的个数，后面的 key $key ...$ 会按顺序放入 KEYS 数组。
arg $arg ...$ ：可选的自定义参数，会依次放入 ARGV 数组。

例如执行 redis.call('set', 'name', 'jack')，0 表示没有 key 参数

lua 复制代码

EVAL "return redis.call('set', 'name', 'jack')" 0

key、value可以作为参数传递（keý类型参数会放入KEYS数组，其它参数会放入ARGV数组），带参数的示例

lua 复制代码

#调用脚本
EVAL "return redis.call('set', KEYS[1], ARGV[1])" 1 name Rose

1 表示有 1 个 key 参数，即 name，它被放入 KEYS $1$
Rose 被放入 ARGV $1$

注意：KEYS 和 ARGV 的下标从 1 开始，而不是 0。

（3）解锁脚本 unlock.lua

lua 复制代码

-- 获取锁中的线程标示  get key
local id = redis.call('get', KEYS[1])
-- 比较线程标示与锁中的标示是否一致
if(id ==  ARGV[1]) then
    -- 释放锁 del key
    return redis.call('del', KEYS[1])
end
return 0

KEYS $1$ ：锁的 key，由外部传入（如 lock:seckill）。
ARGV $1$ ：当前线程的唯一标识（UUID + 线程ID）。
如果锁中的值等于当前线程标识，则删除并返回 1（成功），否则返回 0。

2.Java调用Lua脚本

RedisTemplate 调用 Lua 脚本的 API 如下，

java 复制代码

public <T> T execute(RedisScript<T> script, List<K> keys, Object... args)

script 对应脚本内容，封装了 Lua 脚本内容和期望的返回类型
List<K> keys对应 KEYS 数组，个数即 numkeys
Object... args对应 ARGV 数组

调用 execute 时，底层会自动将这些参数转换为 EVAL script numkeys key1 key2 ... arg1 arg2 ... 发送给 Redis。

3.使用Lua进行调用

首先在类中加载并编译解锁脚本：

java 复制代码

private static final DefaultRedisScript<Long> UNLOCK_SCRIPT;

static {
    UNLOCK_SCRIPT = new DefaultRedisScript<>();
    // 指定脚本文件位置（classpath下）
    UNLOCK_SCRIPT.setLocation(new ClassPathResource("unlock.lua"));
    // 设置返回类型
    UNLOCK_SCRIPT.setResultType(Long.class);
}

DefaultRedisScript 是 Spring 提供的脚本封装类
setLocation 加载 classpath 下的 .lua 文件，避免将大段脚本写在 Java 字符串中
setResultType(Long.class) 指定脚本返回值类型，这里因为脚本返回 0 或 1，所以用 Long

在 unlock 方法中调用脚本

java 复制代码

@Override
public void unLock() {
    //使用lua脚本保证操作原子性
    stringRedisTemplate.execute(UNLOCK_SCRIPT
            , Collections.singletonList(KET_PREFIX+name)
            ,ID_PREFIX+Thread.currentThread().getId());
}

Collections.singletonList(...) 生成只有一个元素的不可变列表，对应 KEYS 数组。因为只有一个 key，numkeys 即为 1
ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId() 作为 ARGV $1$ 传入

总结

基于 Redis 的分布式锁实现核心要点

利用 SET NX EX 命令原子性地获取锁并设置过期时间，既保证互斥，又避免死锁。
存储全局唯一的线程标识（UUID + 线程ID），防止释放其他线程的锁。
使用 Lua 脚本将"判断标识"与"删除锁"原子化，解决解锁过程中的并发误删问题。
分布式锁只适用于单机 Redis 或主从哨兵（AP）模型，在 Redis Cluster 下需配合 RedLock 等更为复杂的算法。