基于Redis的分布式锁实现原理

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什么是分布式锁？如何通过Redis实现分布式锁？

概述

为了防止分布式系统中的多个进程之间相互干扰，我们需要一种分布式协调技术来对这些进程进行调度。而这个分布式协调技术的核心就是来实现这个分布式锁。

为什么要使用分布式锁

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  • 成员变量 A 存在 JVM1、JVM2、JVM3 三个 JVM 内存中
  • 成员变量 A 同时都会在 JVM 分配一块内存，三个请求发过来同时对这个变量操作，显然结果是不对的
  • 不是同时发过来，三个请求分别操作三个不同 JVM 内存区域的数据，变量 A 之间不存在共享，也不具有可见性，处理的结果也是不对的
    注：该成员变量 A 是一个有状态的对象

如果我们业务中确实存在这个场景的话，我们就需要一种方法解决这个问题，这就是分布式锁要解决的问题

分布式锁应该具备哪些条件

  • 在分布式系统环境下，一个方法在同一时间只能被一个机器的一个线程执行
  • 高可用的获取锁与释放锁
  • 高性能的获取锁与释放锁
  • 具备可重入特性（可理解为重新进入，由多于一个任务并发使用，而不必担心数据错误）
  • 具备锁失效机制，防止死锁
  • 具备非阻塞锁特性，即没有获取到锁将直接返回获取锁失败

分布式锁的实现有哪些

  • Memcached：利用 Memcached 的 add 命令。此命令是原子性操作，只有在 key 不存在的情况下，才能 add 成功，也就意味着线程得到了锁。
  • Redis：和 Memcached 的方式类似，利用 Redis 的 setnx 命令。此命令同样是原子性操作，只有在 key 不存在的情况下，才能 set 成功。
  • Zookeeper：利用 Zookeeper 的顺序临时节点，来实现分布式锁和等待队列。Zookeeper 设计的初衷，就是为了实现分布式锁服务的。
  • Chubby：Google 公司实现的粗粒度分布式锁服务，底层利用了 Paxos 一致性算法。

通过 Redis 分布式锁的实现理解基本概念

分布式锁实现的三个核心要素：

加锁

最简单的方法是使用 setnx 命令。key 是锁的唯一标识，按业务来决定命名。比如想要给一种商品的秒杀活动加锁，可以给 key 命名为 “lock_sale_商品ID” 。而 value 设置成什么呢？我们可以姑且设置成 1。加锁的伪代码如下：

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setnx（lock_sale_商品ID，1）

当一个线程执行 setnx 返回 1，说明 key 原本不存在，该线程成功得到了锁；当一个线程执行 setnx 返回 0，说明 key 已经存在，该线程抢锁失败。

解锁

有加锁就得有解锁。当得到锁的线程执行完任务，需要释放锁，以便其他线程可以进入。释放锁的最简单方式是执行 del 指令，伪代码如下：

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del（lock_sale_商品ID）

释放锁之后，其他线程就可以继续执行 setnx 命令来获得锁。

锁超时

锁超时是什么意思呢？如果一个得到锁的线程在执行任务的过程中挂掉，来不及显式地释放锁，这块资源将会永远被锁住（死锁），别的线程再也别想进来。所以，setnx 的 key 必须设置一个超时时间，以保证即使没有被显式释放，这把锁也要在一定时间后自动释放。setnx 不支持超时参数，所以需要额外的指令，伪代码如下：

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expire（lock_sale_商品ID， 30）

综合伪代码如下：

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if（setnx（lock_sale_商品ID，1） == 1）{
    expire（lock_sale_商品ID，30）
    try {
        do something ......
    } finally {
        del（lock_sale_商品ID）
    }
}

存在什么问题

以上伪代码中存在三个致命问题

setnx 和 expire 的非原子性

设想一个极端场景，当某线程执行 setnx，成功得到了锁：

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setnx 刚执行成功，还未来得及执行 expire 指令，节点 1 挂掉了。

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这样一来，这把锁就没有设置过期时间，变成死锁，别的线程再也无法获得锁了。

怎么解决呢？setnx 指令本身是不支持传入超时时间的，set 指令增加了可选参数，伪代码如下：

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set（lock_sale_商品ID，1，30，NX）

这样就可以取代 setnx 指令。

del 导致误删

又是一个极端场景，假如某线程成功得到了锁，并且设置的超时时间是 30 秒。

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如果某些原因导致线程 A 执行的很慢很慢，过了 30 秒都没执行完，这时候锁过期自动释放，线程 B 得到了锁。

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随后，线程 A 执行完了任务，线程 A 接着执行 del 指令来释放锁。但这时候线程 B 还没执行完，线程A实际上 删除的是线程 B 加的锁。

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怎么避免这种情况呢？可以在 del 释放锁之前做一个判断，验证当前的锁是不是自己加的锁。至于具体的实现，可以在加锁的时候把当前的线程 ID 当做 value，并在删除之前验证 key 对应的 value 是不是自己线程的 ID。

加锁：

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String threadId = Thread.currentThread().getId()
set（key，threadId ，30，NX）

解锁：

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if（threadId .equals(redisClient.get(key))）{
    del(key)
}

但是，这样做又隐含了一个新的问题，判断和释放锁是两个独立操作，不是原子性。

出现并发的可能性

还是刚才第二点所描述的场景，虽然我们避免了线程 A 误删掉 key 的情况，但是同一时间有 A，B 两个线程在访问代码块，仍然是不完美的。怎么办呢？我们可以让获得锁的线程开启一个守护线程，用来给快要过期的锁“续航”。

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当过去了 29 秒，线程 A 还没执行完，这时候守护线程会执行 expire 指令，为这把锁“续命”20 秒。守护线程从第 29 秒开始执行，每 20 秒执行一次。

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当线程 A 执行完任务，会显式关掉守护线程。

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另一种情况，如果节点 1 忽然断电，由于线程 A 和守护线程在同一个进程，守护线程也会停下。这把锁到了超时的时候，没人给它续命，也就自动释放了。

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