分布式进阶（十六）——分布式框架之高性能：Redis分布式锁

在分布式系统中，为了保证集群的数据一致性，我们经常会有使用分布式锁的需求。生产环境实现分布式锁，最常用的还是基于Zookeeper，或者使用Redis来实现。本章，我就来讲讲Redis分布式锁的原理。

一、RedLock

Redis官方支持原生的分布式锁，采用了RedLock算法。这个分布式锁有3个重要的考量点：

互斥（只能有一个客户端获取锁）；
不能死锁；
容错（ 大部分Redis节点 获得这个锁，就认为加锁成功）。

1.1 使用方法

可以通过以下命令来加锁：

    SET [key] [value] NX PX [30000]

NX的意思是只有key不存在的时候才会设置成功，别人创建的时候如果发现已经有了就不能加锁了；PX 30000的意思是30秒后锁自动释放。

释放锁其实就是删除key，一般是通过Lua脚本删除，客户端会传送[key]和[value]给服务端，服务端执行Lua脚本比较客户端传过来的值与自己保存的是否一致，一致则删除[key]：

    // redis.call("get",KEYS[1])保存的是Redis侧的Key对应的值；ARGV[1]是客户端保存的值
    if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
        return redis.call("del",KEYS[1])
    else
        return 0
    end

这里思考一个问题：为啥客户端释放锁时，除了上送[key]，还必须上送[value]呢？

因为如果某个客户端获取到了锁，但是自身执行了很长时间才执行完，此时服务端可能已经自动释放锁了，然后别的客户端已经获取到了这个锁。如果这个时候直接删除key的话会有问题，所以得在Lua脚本中进行[value]的判断。

1.2 缺点

如果是普通的Redis主从架构，由于主从异步复制，当主节点挂了时，key还没同步到从节点，此时从节点切换为主节点，就可能导致重复加锁，出现问题。

二、Redisson客户端

使用Redis分布式锁，最常用的还是直接使用Redisson客户端，非常简便易用。

下面给大家看一段简单的使用代码片段，先直观的感受一下：

    RLock lock = redission.getLock("mylock");
    try{
       lock.lock();
       // TODO
    }finally{
       lock.unlock(); 
    }

接下来，我们来看看Redisson这个开源框架对Redis分布式锁的实现原理。

2.1 加锁原理

我们假设现在有一个Redis Cluster集群，如果某个Redisson客户端1要加锁，它会首先根据hash算法，选择一个Redis节点。然后，发送一段Lua脚本到该节点上，Lua脚本如下所示：

    // CASE1：如果服务端不存在锁KEY[1]，就加锁，并设置key的过期时间为ARGV[2]
    if (redis.call("exist", KEYS[1]) == 0) then
        redis.call("hset", KEYS[1], ARGV[2], 1);
        redis.call("pexpire", KEYS[1], ARGV[1]);
        return nil;
    end;
    // CASE2：如果服务端存在锁KEY[1]，且客户端ID也相同，就重入下锁，然后更新过期时间
    if (redis.call("hexists", KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then
        redis.call("hincrby", KEYS[1], ARGV[2], 1);
        redis.call("pexpire", KEYS[1], ARGV[1]);
        return nil;
    end;
    // CASE3：加锁失败，返回key剩余过期时间
    return redis.call("ptt;", KEY[1]);

上述Lua脚本，第一个 if 就是判断一下，如果你要加锁的key不存在的话，就进行加锁。

KEYS[1]代表你加锁的那个key，比如说：RLock lock = redisson.getLock("myLock");那加锁的key就是“myLock”；
ARGV[1]代表的是锁key的生存时间，默认30秒；
ARGV[2]代表的是加锁的客户端ID，类似于下面这样：8743c9c0-0795-4907-87fd-6c719a6b4586:1，Redisson客户端加锁时都会上送自己的客户端ID。

具体如何加锁呢？很简单，用下面的命令：

    hset myLock "8743c9c0-0795-4907-87fd-6c719a6b4586:1" 1

Redis服务端通过这个命令设置了一个hash数据结构：

    myLock:
    {
        "8743c9c0-0795-4907-87fd-6c719a6b4586:1" 1
    }

上述的“8743c9c0-0795-4907-87fd-6c719a6b4586:1”就代表了：8743c9c0-0795-4907-87fd-6c719a6b4586这个客户端，对“myLock”这个锁，完成了1次加锁。

接着会执行pexpire myLock 30000命令，设置myLock这个锁key的生存时间是30秒。

为啥要用Lua脚本呢？因为一大坨复杂的业务逻辑，可以通过封装在Lua脚本中发送给Redis，Redis会保证这段复杂业务逻辑执行的原子性。

2.2 锁互斥机制

那么如果此时，另一个客户端2来尝试加锁，执行了同样的一段Lua脚本，会怎么样呢？很简单：

首先，第一个if判断会执行“exists myLock”，发现myLock这个锁key已经存在了；
接着，第二个if判断，判断一下，myLock锁key的hash数据结构中，是否包含客户端2的ID？但是明显不是的，因为那里包含的是客户端1的ID；
最后，客户端2会获取到pttl myLock返回的一个数字，这个数字代表了myLock这个锁key的剩余生存时间。此时客户端2会进入一个while循环，不停的尝试加锁。

2.3 watch dog锁延期

客户端1加锁的key默认生存时间才30秒，如果超过了30秒，客户端1还想一直持有这把锁，怎么办呢？

简单！客户端1一旦加锁成功，它就会启动一个watch dog后台线程，会每隔10秒检查一下，如果客户端1还持有锁key，那么就会不断的延长锁key的生存时间。

2.4 可重入锁

那如果客户端1都已经持有了这把锁了，还可以重复加锁吗？比如下面这种代码：

    RLock lock = redission.getLock("mylock");
    
    lock.lock();
    // DO SOMETHING...
    lock.lock();
    
    lock.unlock();
    lock.unlock();

这时我们来分析一下最开头那段Lua脚本：

第一个if判断肯定不成立，“exists myLock”会显示锁key已经存在了；
第二个if判断会成立，因为myLock的hash数据结构中包含的那个ID，就是客户端1的那个ID，也就是“8743c9c0-0795-4907-87fd-6c719a6b4586:1”；

此时就会执行可重入加锁的逻辑，通过下面这个命令，对客户端1的加锁次数累加1：

    incrby myLock "8743c9c0-0795-4907-87fd-6c71a6b4586:1" 1

最终，myLock的数据结构变为下面：

    myLock:
    {
        "8743c9c0-0795-4907-87fd-6c719a6b4586:1" 2
    }

2.5 释放锁原理

如果执行lock.unlock()，就可以释放分布式锁，此时的业务逻辑也是非常简单的。说白了就是每次都对myLock数据结构中的那个加锁次数减1。如果发现加锁次数是0了，说明这个客户端已经不再持有锁了，此时就会用del myLock命令删除这个key。这样其它客户端就可以尝试完成加锁了。

2.6 缺点

上面这种方案最大的问题在于：就是如果你对某个redis master节点加了锁，当redis master宕机时，key还没同步到slave节点，此时slave切换为master，就可能导致重复加锁，也就是多个客户端同时获取了同一把锁。

三、总结

采用Redis分布锁时，其实很难解决因为Master节点宕机而造成的重复加锁问题。所以，生产环境，如果对数据一致性要求不高，可以用Redisson客户端来实现Redis的分布式锁。但是，我们更常用Zookeeper来实现分布式锁，这块内容我将在后续章节详细讲解。

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