Redis实现分布式锁

时间:2022-09-29 程序员读书人气:0

1. 什么是分布式锁

当我们在编写多线程代码的时候，不同的线程可能会发生资源的争夺，为了避免资源争夺造成的错误，我们会对资源上锁，只有获得锁的线程才能继续往下执行。

进程中的锁，本质就是内存中一个变量，当一个线程执行某个操作申请加锁时，如果能成功把代表锁的变量值设置为1，则表示获得了锁，其他线程想要获得锁时会阻塞，而拥有锁的线程执行完操作后，再把锁的值设置为0，则表示释放了锁。

上面我们说的是在一台服务器的进程内不同线程之间的锁，这个锁是放在内存中的，而对于分布式应用程序来说，不同的应用(进程或线程)部署在不同的服务器上，这样就不能通过内存中的变量来表示锁。

即然在一台服务器上可以通过内存这块共享的空间来表示锁，那么对于分布式应用程序来说，可以共享存储系统来存储一个共享锁，这就是分布式锁，而Redis作为内存数据库，执行非常快，很适合作为实现分布式锁的共享存储系统。

2. 使用Redis实现分布式锁

对于一个锁来说，其实只有两个操作，加锁和释放锁，下面我们看来看通过Redis要怎么实现？

2.1 加锁

Redis的setnx命令会判断键值是否存在，如果存在则不做任何操作，并返回0，如果不存在，则创建并赋值，并返回1，因此我们可以执行setnx为一个代表锁键设置值，如果能设置成功，则表示获得锁，失败则无法获得锁。

# 使用key为lock来表示一个锁
setnx lock 1

2.2 释放锁

当执行好操作之后，要释放锁的时候直接把Redis里的键值lock删除就可以了，这样其他进程才能通过setnx命令重新设置并获得该锁。

# 释放锁
del lock

通过上面两个命令，我们实现了一个简单的分布式锁，但这里就出现了一个问题：如果一个进程通过setnx命令加锁之后，在执行具体操作出错了，没有办法及时释放锁，那么其他进程就无法获得该锁，系统便无法继续往下执行，解决这个问题的办法就是为锁设置一个有效期，在这个有效期之后，自动释放锁。

2.3 给锁设置有效期

给锁设置有效期非常简单，直接使用Redis的expire命令就可以了，如：

# 加锁
setnx lock 1 
# 给锁设置10s有效期
expire lock 10

但是，现在又出现另一个问题了，如果我们在设置了锁之后，执行expire命令之前该进程挂掉了，那么expire就没有执行成功，锁一样是没有被释放掉的，所以一定要保证上面两个命令要一起执行，怎么保证呢？

有两个方法，一个是使用LUA语言编写的脚本，另一个是使用Redis的set命令，set命令后面跟nx参数后，执行的效果与setnx一致，且set命令可以跟ex参数来设置过期时间，所以我们可以使用set命令把setnx和expire两个合并在一起，这样就可以保证执行的原子性了。

# 判断是否键值是否存在，ex后面跟着的是键值的有效期,10s
set lock 1 nx ex 10

解决了锁的有效问题，现在我们再来看另外一个问题。

如上图所示，现在有A，B，C三个不同服务器上的进程在执行某个操作都需要获得锁，执行后要释放锁。

现在的情况是进程A执行第2步时卡顿了(上面绿色区域所示)，且时间超出了锁有效期，所以进程A设置的锁自动释放了，这时候进程B获得了锁，并开始执行操作，但由于进程A只是卡顿了而已，所以会继续执行的时候，在第3步的时候会手动释放锁，但是这个时候，锁由线程B所拥有，也就是说进程A删除的不是自己的锁，而进程B的锁，这时候进程B还没执行完，但锁被释放后，进程C可以加锁，也就是说由于进程A卡顿释放错了锁，导致进程B和进程C可以同时获得锁。

怎么避免这种情况呢？如何区分其他进程的锁，避免删除其他进程的锁呢？答案就是每个进程在加锁的时候，给锁设置一个唯一值，并在释放锁的时候，判断是不是自己设置的锁。

2.4 给锁设置唯一值

给锁设置唯一值的时候，一样是使用set命令，唯一的不同是将键值1改为一个随机生成的唯一值，比如uuid。

 # rand_uid表示唯一id
set lock rand_id nx ex 10

当锁里的值由进程设置后，释放锁的时候，就需要判断锁是不是自己的，步骤如下：

通过Redis的get命令获得锁的值
根据获得的值，判断锁是不是自己设置的
如果是，通过del命令释放锁。

此时我们看到，释放锁需要执行三个操作，如果三个操作依次执行的话，是没有办法保证原子性的，比如进程A在执行到第2步后，准备开始执行del命令时，而锁由时有效期到了，被自动释放了，并被其他服务器上的进程B获得锁，但这时候线程A执行del还是把线程B的锁给删掉了。

解决这个问题的办法就是保证上述三个操作执行的原子性，即在执行释放锁的三个操作中，其他进程不可以获得锁，想要做到这一点，需要使用到LUA脚本。

2.5 通过LUA脚本实现释放锁的原子性

Redis支持LUA脚本，LUA脚里的代码执行的时候，其他客户端的请求不会被执行，这样可以保证原子性操作，所以我们可以使用下面脚本进行锁的释放：

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

将上述脚本保存为脚本后，可以调用Redis客户端命令redis-cli来执行，如下：

# lock为key,rand_id表示key里保存的值
redis-cli --eval unlock.lua lock , rand_id

3. 小结

无论是本地锁还是分布式锁，锁的本质就是一个共享的变量，只是在实现分布式锁时候，把这个变量移到了Redis服务器所在的内存中。

在上面实现分布式锁的过程中我们碰到了以下几个问题：

如何保证加锁操作的原子性？
如何保证进程崩溃自动释放锁？
如何避免删错其他进程的锁？
如何保证释放锁操作的原子性？

在解决上述问题的时候，我们也一步步完善一个可以在实际开发中应用的Redis分布式锁。

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