一步步优化Redis实现分布式锁

分布式锁概念

在多线程的程序里，为了避免同时操作一个共享变量产生数据问题，会加一个互斥锁，以确保共享变量的正确性，使用范围是同一个进程。

那如果是多个进程，需要同时操作一个共享资源，如何互斥呢？

比如，现在的业务基本上都是微服务架构，一个应用会部署多个进程，这多个进程需要修改MySQL的同一行记录时，就需要引入分布式锁来解决这个问题了。

要实现分布式锁，需要借助一个外部系统，所有的进程都去这个系统上申请加锁，而这个外部系统必须要实现互斥的能力，换言之，如果有两个请求同时进来，也只会给一个进程返回成功，另一个返回失败或等待。

这个外部系统可以是MySQL、Redis或Zookeeper，一般使用Redis或ZK

如何实现

可以使用SETNX命令，表示SET IF NOT EXISTS，也就是当Key不存在的时候才会设置他的值。

比如，客户端1申请加锁，加锁成功；

127.0.0.1:6379> SETNX lock 1
(integer) 1

客户端2申请加锁，因为到达的比客户端1晚，加锁失败。

127.0.0.2:6379> SETNX lock 1
(integer) 0

此时，加锁成功的客户端，就可以去操作共享资源，例如，修改MySQL的某一行数据，或是调用一个API请求。

操作完成后，还要释放锁，这样后续的客户端才能继续操作共享资源。

释放锁可以通过DEL 命令删除这个key

以上是分布式锁最简单的实现，存在一个很大的问题，如果客户端1拿到锁以后，没有释放锁，就会造成死锁。没有释放锁的原因有以下几个：

1. 程序处理业务逻辑异常，没有及时释放锁

2. 整个进程挂了/宕机，没有办法去释放锁

如何避免死锁

那么如何解决上述的问题呢？比较容易想到的方案是：申请锁的时候，给锁设置一个租期

对于刚刚的Redis实现，就是给这个Key设置一个过期时间

比如

127.0.0.1:6379> SETNX lock 1 // 加锁
(integer) 1
127.0.0.1:6379> EXPIRE lock 10 // 10s后自动过期
(integer) 1

这样如果客户端异常的话，这个锁在10秒后会被自动释放，其他客户端依旧可以拿到锁

这样还是有问题，刚刚的操作里，加锁、设置过期时间这是2条命令，有可能执行完第一条，第二条来不及执行，比如：

• 执行第二条语句时因为网络问题，执行失败

• Redis异常宕机，第二条没时间执行

• 客户端异常崩溃/退出，第二条命令没机会执行

如果这两条命令不能保证原子操作，就有潜在的风险导致过期时间设置失败，依旧会发生死锁。

Redis 2.6.12以后，只需要使用 SET lock 1 EX 10 NX就可以了

接下来分析下还有没有别的问题？

假设这样一种场景：

1. 客户端1加锁成功，开始操作共享资源

2. 客户端1操作共享资源的时间，超过了锁的过期时间，锁被自动释放

3. 客户端2加锁成功，开始操作共享资源

4. 客户端1操作共享资源完成，释放锁（注意这里的锁是客户端2刚刚加的锁）

这里有两个很严重的问题：

• 锁过期：客户端1操作共享资源耗时太久，导致锁被自动释放，之后客户端2加锁

• 释放别人的锁：客户端1操作共享资源后，释放了客户端2的锁

第一个问题，可能是我们评估共享资源的时间不准确导致的。

简单的解决方案就是增大冗余时间，比如10秒过期，但是操作共享资源的时间最慢是15秒，那我就设置过期时间为20秒。但是这样没法根本解决问题，预估的时间只是大致计算，并不能预估到所有增加耗时的场景，比如程序内部发生异常、网络请求超时、异常耗时增加等。

第二个问题，一个客户端释放了其他客户端持有的锁

导致这个问题的原因是 每个客户端在释放锁的时候，没有检查这个锁是不是自己加上的

如何解决锁被别人释放的问题

客户端在加锁的时候，设置一个只有自己知道的唯一标识进去，可以是自己的主机名字、线程ID等，也可以是一个UUID

127.0.0.1:6379> SET lock $uuid EX 20 NX
OK

之后释放锁的时候，需要检查以下

if redis.get(“lock”) == $uuid:
    redis.del(“lock”)

这里又是一个原子操作，可以写成lua脚本，让Redis来执行

if redis.call("GET",KEYS[1]) == ARGV[1]
thenreturn redis.call("DEL",KEYS[1])
elsereturn 0
end

这样，整个加锁和解锁的过程就比较严谨了，大概流程如下：

1. 加锁：SET lock $uuid EX 10 NX

2. 操作共享资源

3. 释放锁：lua脚本

不好评估锁过期时间怎么办

前面还有一个遗留问题就是，锁会有提前过期的风险

简单的方案就是尽量冗余过期时间，降低锁提前过期的概率。但是这个方案并不能完美解决问题。

比较主流的方案是，加锁的时候，先设置一个过期时间，同时开启一个守护线程，定时去检测这个锁的失效时间，如果锁快过期了，但是操作共享资源还未完成，自动对锁进行续期，重新设置过期时间。

在Java里Redisson库已经把这部分封装好了，看门狗线程

分布式场景

之前分析的场景都是，锁在单个Redis实例中可能会产生的问题，并没有考虑Redis的部署架构细节

但实际上在使用Redis的时候，都是采用主从集群+哨兵的模式部署，当主库异常宕机的时候，哨兵可以进行故障自动切换，把从库提升为主库，继续提供服务，来保证可用性。

假设这样一个场景：

• 客户端1在主库上加锁成功

• 主库宕机，SET命令还未同步到从库上（这里是因为主从同步是异步的）

• 哨兵把从库提升为主库，这个锁在新的主库上就丢失了

当引入Redis副本后，分布式锁还是可能受影响，为此，Redis的作者提出一种解决方案，就是Redlock 红锁