redis分布式锁和lua脚本

本博客使用第三方开源组件Jedis实现Redis客户端，且只考虑Redis服务端单机部署的场景。

一.Java中的锁与分布式锁

1. Java中的锁

在 java 编码的时候，为了保护共享资源，使得多线程环境下，不会出现“不好的结果”。我们可以使用锁来进行线程同步。于是我们可以根据具体的情况使用synchronized 关键字来修饰一个方法，或者一段代码。也可以使用 java 5以后的 Lock 来实现，与 synchronized 关键字相比，Lock 的使用更灵活，可以有加锁超时时间、公平性等优势。

2.分布式锁

上面我们所说的 synchronized 关键字也好，Lock 也好。他们的作用范围是当前的应用。你的代码在这个 jar 包或者这个 war 包里边，被部署在 A 机器上。那么实际上我们写的 synchronized 关键字，就是在当前的机器的 JVM在执行代码的时候发生作用的。假设这个代码被部署到了三台机器上 A,B,C。那么 A 机器中的部署的代码中的synchronized 关键字并不能控制 B,C 中的内容。

假如我们需要在 A,B,C 三台机器上运行某段程序的时候，实现“原子操作”，synchronized 关键字或者 Lock 是不能满足的。很显然，这个时候我们需要的锁，是需要协同这三个节点的，于是，分布式锁就需要上场了，他就像是在A,B,C的外面加了一个层，通过它来实现锁的控制。

二.分布式锁的可靠性

首先，为了确保分布式锁可用，我们至少要确保锁的实现同时满足以下四个条件：

互斥性。在任意时刻，只有一个客户端能持有锁。
不会发生死锁。即使有一个客户端在持有锁的期间崩溃而没有主动解锁，也能保证后续其他客户端能加锁。
具有容错性。只要大部分的Redis节点正常运行，客户端就可以加锁和解锁。
解铃还须系铃人。加锁和解锁必须是同一个客户端，客户端自己不能把别人加的锁给解了。

三.依赖

<dependency>
    <groupId>redis.clients</groupId>
    <artifactId>jedis</artifactId>
    <version>2.9.0</version>
</dependency>

四.错误案例

1.加锁错误案例

1.1

public static void wrongGetLock1(Jedis jedis, String lockKey, String requestId, int expireTime) {

    Long result = jedis.setnx(lockKey, requestId);
    if (result == 1) {
        // 若在这里程序突然崩溃，则无法设置过期时间，将发生死锁
        jedis.expire(lockKey, expireTime);
    }

}

setnx()方法作用就是SET IF NOT EXIST，expire()方法就是给锁加一个过期时间。由于这是两条Redis命令，不具有原子性，如果程序在执行完setnx()之后突然崩溃，导致锁没有设置过期时间。那么将会发生死锁。网上之所以有人这样实现，是因为低版本的jedis并不支持多参数的set()方法。

1.2.

public static boolean wrongGetLock2(Jedis jedis, String lockKey, int expireTime) {

    long expires = System.currentTimeMillis() + expireTime;
    String expiresStr = String.valueOf(expires);

    // 如果当前锁不存在，返回加锁成功
    if (jedis.setnx(lockKey, expiresStr) == 1) {
        return true;
    }

    // 如果锁存在，获取锁的过期时间
    String currentValueStr = jedis.get(lockKey);
    if (currentValueStr != null && Long.parseLong(currentValueStr) < System.currentTimeMillis()) {
        // 锁已过期，获取上一个锁的过期时间，并设置现在锁的过期时间
        String oldValueStr = jedis.getSet(lockKey, expiresStr);
        if (oldValueStr != null && oldValueStr.equals(currentValueStr)) {
            // 考虑多线程并发的情况，只有一个线程的设置值和当前值相同，它才有权利加锁
            return true;
        }
    }
    
    // 其他情况，一律返回加锁失败
    return false;
}

那么这段代码问题在哪里？1. 由于是客户端自己生成过期时间，所以需要强制要求分布式下每个客户端的时间必须同步。 2. 当锁过期的时候，如果多个客户端同时执行jedis.getSet()方法，那么虽然最终只有一个客户端可以加锁，但是这个客户端的锁的过期时间可能被其他客户端覆盖。3. 锁不具备拥有者标识，即任何客户端都可以解锁。

2.解锁错误案例

2.1

public static void wrongReleaseLock1(Jedis jedis, String lockKey) {
    jedis.del(lockKey);
}

所有人均可解锁

2.2

public static void wrongReleaseLock2(Jedis jedis, String lockKey, String requestId) {
        
    // 判断加锁与解锁是不是同一个客户端
    if (requestId.equals(jedis.get(lockKey))) {
        // 若在此时，这把锁突然不是这个客户端的，则会误解锁
        jedis.del(lockKey);
    }

}

如代码注释，问题在于如果调用jedis.del()方法的时候，这把锁已经不属于当前客户端的时候会解除他人加的锁。那么是否真的有这种场景？答案是肯定的，比如客户端A加锁，一段时间之后客户端A解锁，在执行jedis.del()之前，锁突然过期了，此时客户端B尝试加锁成功，然后客户端A再执行del()方法，则将客户端B的锁给解除了。

五.正确实现

加锁

public class RedisTool {

    private static final String LOCK_SUCCESS = "OK";
    private static final String SET_IF_NOT_EXIST = "NX";
    // "PX"：毫秒  "EX"：秒
    private static final String SET_WITH_EXPIRE_TIME = "PX";

    /**
     * 尝试获取分布式锁
     * @param jedis Redis客户端
     * @param lockKey 锁
     * @param requestId 请求标识
     * @param expireTime 超期时间
     * @return 是否获取成功
     */
    public static boolean tryGetDistributedLock(Jedis jedis, String lockKey, String requestId, int expireTime) {

        String result = jedis.set(lockKey, requestId, SET_IF_NOT_EXIST, SET_WITH_EXPIRE_TIME, expireTime);

        if (LOCK_SUCCESS.equals(result)) {
            return true;
        }
        return false;
    }
}

可以看到，我们加锁就一行代码：jedis.set(String key, String value, String nxxx, String expx, int time)，这个set()方法一共有五个形参：

key，我们使用key来当锁，因为key是唯一的。
value，我们传的是requestId，很多童鞋可能不明白，有key作为锁不就够了吗，为什么还要用到value？原因就是我们在上面讲到可靠性时，分布式锁要满足第四个条件解铃还须系铃人，通过给value赋值为requestId，我们就知道这把锁是哪个请求加的了，在解锁的时候就可以有依据。requestId可以使用UUID.randomUUID().toString()方法生成。
nxxx，这个参数我们填的是NX，意思是SET IF NOT EXIST，即当key不存在时，我们进行set操作；若key已经存在，则不做任何操作；
expx，这个参数我们传的是PX，意思是我们要给这个key加一个过期的设置，具体时间由第五个参数决定。
time，与第四个参数相呼应，代表key的过期时间。

解锁

public class RedisTool {

    private static final Long RELEASE_SUCCESS = 1L;

    /**
     * 释放分布式锁
     * @param jedis Redis客户端
     * @param lockKey 锁
     * @param requestId 请求标识
     * @return 是否释放成功
     */
    public static boolean releaseDistributedLock(Jedis jedis, String lockKey, String requestId) {

        String script = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
        Object result = jedis.eval(script, Collections.singletonList(lockKey), Collections.singletonList(requestId));

        if (RELEASE_SUCCESS.equals(result)) {
            return true;
        }
        return false;

    }

}

六.lua脚本

lua脚本的优点

减少网络开销：本来多次网络请求的操作，可以用一个请求完成，原先多次请求的逻辑放在redis服务器上完成。使用脚本，减少了网络往返时延
原子操作：Redis会将整个脚本作为一个整体执行，中间不会被其他命令插入
复用：客户端发送的脚本会永久存储在Redis中，意味着其他客户端可以复用这一脚本而不需要使用代码完成同样的逻辑

外部读取lua脚本

  public void luaUnLock() throws Exception{
        Jedis jedis = new Jedis("localhost") ;
        InputStream input = new FileInputStream("unLock.lua");
        byte[] by = new byte[input.available()];
        input.read(by);
        String script = new String(by);
        Object obj = jedis.eval(script, Arrays.asList("key","123"), Arrays.asList(""));
        System.out.println("执行结果 " + obj);
  }

七.缺点

上面我们说的是redis，是单点的情况。如果是在redis sentinel集群中情况就有所不同了。关于redis sentinel 集群可以看这里。在redis sentinel集群中，我们具有多台redis，他们之间有着主从的关系，例如一主二从。我们的set命令对应的数据写到主库，然后同步到从库。当我们申请一个锁的时候，对应就是一条命令 setnx mykey myvalue ，在redis sentinel集群中，这条命令先是落到了主库。假设这时主库down了，而这条数据还没来得及同步到从库，sentinel将从库中的一台选举为主库了。这时，我们的新主库中并没有mykey这条数据，若此时另外一个client执行 setnx mykey hisvalue , 也会成功，即也能得到锁。这就意味着，此时有两个client获得了锁。这不是我们希望看到的，虽然这个情况发生的记录很小，只会在主从failover的时候才会发生，大多数情况下、大多数系统都可以容忍，但是不是所有的系统都能容忍这种瑕疵。

Redisson redlock可以解决以上情况，但是，它解决问题的同时，也带来了代价。你需要多个redis实例，你需要引入新的库代码也得调整，性能上也会有损。所以，果然是不存在“完美的解决方案”，我们更需要的是能够根据实际的情况和条件把问题解决了就好。

参考：

Jolin's knight

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