【Redis】Redis 如何实现分布式锁

1. 什么是分布式锁

分布式锁其实就是，控制分布式系统不同进程共同访问共享资源的一种锁的实现。如果不同的系统或同一个系统的不同主机之间共享了某个临界资源，往往需要互斥来防止彼此干扰，以保证一致性。

1.1 分布式锁的特点

1. 互斥性：任意时刻，只有一个客户端能持有锁；

2. 可重入性：一个线程获取锁之后，可以再次对其请求加锁；

3. 锁超时释放：持有锁超时释放，防止不必要的资源浪费，也可以防止死锁；

4. 高效、高可用：加锁和解锁需要高效，同时也需要保证高可用防止分布式锁失效；

5. 安全性：锁只能被持有的客户端删除，不能被其他客户端删除。

1.2 分布式锁的场景

• 使用分布式锁的场景一般需要满足以下场景：

  • 系统是一个分布式系统，Java 的锁已经锁不住了；
  • 操作共享资源，比如库里唯一的用户数据；
  • 同步访问，即多个进程同时操作共享资源。

• 分布式锁的业务场景

  • 扣减库存
  • 抢红包
  • …

1.3 分布式锁的实现方式

1. 数据库乐观锁；

2. 基于 ZooKeeper 的分布式锁;

3. 基于 Redis 的分布式锁。

这里主要介绍使用 Redis 实现分布式锁的方案。

2. Redis 实现分布式锁

2.1 setnx + expire

SETNX 是 SET IF NOT EXISTS 的简写。命令格式是 SETNX key value，如果 lockKey 不存在，则 SETNX 成功返回 1，如果这个 lockKey 已经存在了，则返回 0。

伪代码：

// 1. 加锁
if（jedis.setnx(lockKey, lockValue) == 1）{
    
    
    // 2. 设置过期时间
    jedis.expire(lockKey, expireTime);
    try {
    
    
        // 3. 业务处理
        do something;
    } catch (Exception e) {
    
    
        log.error("处理失败，", e);
    } finally {
    
    
        // 4. 释放锁
        jedis.del(lockKey);
    }
}

在这个方案中 setnx 与 expire 「不是原子操作」，如果执行完第一步 jedis.setnx() 加锁后异常了，第二步 jedis.expire() 未执行，相当于这个锁没有过期时间，「有产生死锁的可能」。对这个问题如何改进？

2.2 set ex px nx

基于 Redis 的 SET 扩展命令（SET key value[EX seconds][PX milliseconds][NX|XX]），保证 SETNX + EXPIRE 两条指令的原子性。

• EX second ：设置键的过期时间为 second 秒；

• PX millisecond ：设置键的过期时间为 millisecond 毫秒；

• NX ：表示 key 不存在的时候，才能 set 成功，也即保证只有第一个客户端请求才能获得锁，而其他客户端请求只能等其释放锁，才能获取；

• XX ：只在键已经存在时，才对键进行设置操作。

伪代码：

// 1. 加锁并设置过期时间
if（jedis.set(lockKey, lockValue, "NX", "EX", 100s) == 1）{
    
    
    try {
    
    
        // 2. 业务处理
        do something;
    } catch (Exception e) {
    
    
        log.error("处理失败，", e);
    } finally {
    
    
        // 3. 释放锁
        jedis.del(lockKey);
    }
}

在这个方案中存在两个问题：

1. 锁过期释放了，业务还没执行完。假设线程a获取锁成功，一直在执行临界区的代码。但是100s过去后，它还没执行完。但是，这时候锁已经过期了，此时线程b又请求过来。显然线程b就可以获得锁成功，也开始执行临界区的代码。那么问题就来了，临界区的业务代码都不是严格串行执行的了。

2. 锁被别的线程误删。假设线程a执行完后，去释放锁。但是它不知道当前的锁可能是线程b持有的（线程a去释放锁时，有可能过期时间已经到了，此时线程b进来占有了锁）。那线程a就把线程b的锁释放掉了，但是线程b临界区业务代码可能都还没执行完。

2.3 set ex px nx + 校验唯一随机值，再删除

既然锁可能被别的线程误删，那我们给 value 值设置一个标记当前线程唯一的随机数，在删除的时候，校验一下，就可以了。

伪代码：

 // 1. 加锁并设置过期时间
 if（jedis.set(lockKey, uni_lockValue, "NX", "EX", 100s) == 1）{
    
    
     try {
    
    
         // 2. 业务处理
         do something;
     } catch (Exception e) {
    
    
         log.error("处理失败，", e);
     } finally {
    
    
         // 3. 判断是不是当前线程加的锁
         if (uni_lockValue.equals(jedis.get(lockKey))) {
    
    
             // 4. 释放锁
             jedis.del(lockKey);
         }
     }
 }

这里的 3. 是非原子性的，我们使用 lua 脚本来优化一下

if redis.call('get',KEYS[1]) == ARGV[1] then 
   return redis.call('del',KEYS[1]) 
else
   return 0
end;

这个方案还是会存在 「锁过期释放，业务没执行完」 的问题，有些小伙伴认为，稍微把锁过期时间设置长一些就可以了。其实我们设想一下，是否可以给获得锁的线程，开启一个定时守护线程，每隔一段时间检查锁是否还存在，存在则对锁的过期时间延长，防止锁过期提前释放。

2.4 Redisson 实现分布式锁

只要线程一加锁成功，就会启动一个 watch dog 看门狗，它是一个后台线程，会每隔 10s 检查一下，如果 线程1 还持有锁，那么就会不断的延长锁 key 的生存时间。Redisson 完美解决了「锁过期释放，业务没执行完」问题。

Redisson lock 和 tryLock 原理解析

package com.pointer.mall.common.util;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.redisson.api.RLock;
import org.redisson.api.RedissonClient;
import org.springframework.stereotype.Component;

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

/**
 * @author gaoyang
 * @date 2023-02-23 20:24
 */
@Slf4j
@Component
public class RedissonUtil {
    
    

    @Resource
    private RedissonClient redissonClient;

    /**
     * 加锁
     *
     * @param lockKey
     */
    public void lock(String lockKey) {
    
    
        RLock lock = redissonClient.getLock(lockKey);
        lock.lock();
    }

    /**
     * 带过期时间的锁
     *
     * @param lockKey   key
     * @param leaseTime 上锁后自动释放锁时间
     */
    public void lock(String lockKey, long leaseTime) {
    
    
        RLock lock = redissonClient.getLock(lockKey);
        lock.lock(leaseTime, TimeUnit.SECONDS);
    }

    /**
     * 带超时时间的锁
     *
     * @param lockKey   key
     * @param leaseTime 上锁后自动释放锁时间
     * @param unit      时间单位
     */
    public void lock(String lockKey, long leaseTime, TimeUnit unit) {
    
    
        RLock lock = redissonClient.getLock(lockKey);
        lock.lock(leaseTime, unit);
    }

    /**
     * 尝试获取锁
     *
     * @param lockKey key
     * @return
     */
    public boolean tryLock(String lockKey) {
    
    
        RLock lock = redissonClient.getLock(lockKey);
        return lock.tryLock();
    }

    /**
     * 尝试获取锁
     *
     * @param lockKey   key
     * @param waitTime  最多等待时间
     * @param leaseTime 上锁后自动释放锁时间
     * @return boolean
     */
    public boolean tryLock(String lockKey, long waitTime, long leaseTime) {
    
    
        RLock lock = redissonClient.getLock(lockKey);
        try {
    
    
            return lock.tryLock(waitTime, leaseTime, TimeUnit.SECONDS);
        } catch (InterruptedException e) {
    
    
            log.error("RedissonUtils - tryLock异常", e);
        }

        return false;
    }

    /**
     * 尝试获取锁
     *
     * @param lockKey   key
     * @param waitTime  最多等待时间
     * @param leaseTime 上锁后自动释放锁时间
     * @param unit      时间单位
     * @return boolean
     */
    public boolean tryLock(String lockKey, long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit) {
    
    
        RLock lock = redissonClient.getLock(lockKey);
        try {
    
    
            return lock.tryLock(waitTime, leaseTime, unit);
        } catch (InterruptedException e) {
    
    
            log.error("RedissonUtils - tryLock异常", e);
        }

        return false;
    }

    /**
     * 释放锁
     *
     * @param lockKey key
     */
    public void unlock(String lockKey) {
    
    
        RLock lock = redissonClient.getLock(lockKey);
        lock.unlock();
    }

    /**
     * 是否存在锁
     *
     * @param lockKey key
     * @return
     */
    public boolean isLocked(String lockKey) {
    
    
        RLock lock = redissonClient.getLock(lockKey);
        return lock.isLocked();
    }
}