Redis實現(xiàn)分布式鎖的幾種方案

本文將介紹什么是分布式鎖，以及使用Redis實現(xiàn)分布式鎖的幾種方案。

前言

了解分布式鎖之前，需要先了解一下

• 線程鎖
• 進(jìn)程鎖
• CAP理論

線程鎖

線程鎖主要用來給方法、代碼塊加鎖。

當(dāng)某個方法或代碼使用鎖，在同一時刻僅有一個線程執(zhí)行該方法或該代碼段。

線程鎖只在同一JVM中有效果，因為線程鎖的實現(xiàn)，是通過線程之間共享內(nèi)存實現(xiàn)的，

一般實現(xiàn)方法：

• Synchronized
• Lock

進(jìn)程鎖

進(jìn)程鎖是控制同一操作系統(tǒng)中多個進(jìn)程訪問某個共享資源

進(jìn)程具有獨立性，各個進(jìn)程無法訪問其他進(jìn)程的資源，因此無法通過synchronized等線程鎖實現(xiàn)進(jìn)程鎖。

CAP理論

任何一個分布式系統(tǒng)都無法同時滿足

• 一致性（Consistency）
• 可用性（Availability）
• 分區(qū)容錯性（Partition tolerance）

最多只能同時滿足兩項。

分布式鎖

概念

如果不同的系統(tǒng)或同一個系統(tǒng)的不同主機(jī)之間共享了某個臨界資源，往往需要互斥來防止彼此干擾，以保證一致性，就產(chǎn)生了分布式鎖。包含三個要素：

• 分布式系統(tǒng)
• 不同進(jìn)程
• 共同訪問共享資源

分布式鎖，實現(xiàn)的是CA，即一致性和可用性

特性

• 互斥性: 任意時刻，只有一個客戶端能持有鎖。
• 鎖超時釋放：持有鎖超時，可以釋放，防止不必要的資源浪費，也可以防止死鎖。
• 可重入性:一個線程如果獲取了鎖之后,可以再次對其請求加鎖。
• 高性能和高可用：加鎖和解鎖需要開銷盡可能低，同時也要保證高可用，避免分布式鎖失效。
• 安全性：鎖只能被持有的客戶端刪除，不能被其他客戶端刪除。

實現(xiàn)方案

Redisson框架

框架介紹

Redisson是一款基于Java的Redis客戶端，它封裝了Redis的Java客戶端Jedis、Lettuce等，并且提供了許多額外的功能，例如分布式鎖、分布式集合、分布式對象、布隆過濾器等。

框架特點

1. 提供了豐富的API，簡單易用。
2. 提供了多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，如分布式鎖、分布式集合、分布式Map、分布式Queue等。
3. 支持多種Redis部署方式，如單節(jié)點、主從、哨兵、集群等。
4. 提供了基于Netty的高性能的Redis連接池。
5. 提供了基于Ramp模型的分布式遠(yuǎn)程調(diào)用框架，可以方便的進(jìn)行分布式服務(wù)調(diào)用。

簡單示例

1. 引入Redisson的依賴

< dependency >
    < groupId >org.redisson< /groupId >
    < artifactId >redisson< /artifactId >
    < version >3.16.0< /version >
< /dependency >

2. 創(chuàng)建RedissonClient對象

Config config = new Config();
config.useSingleServer().setAddress("redis://127.0.0.1:6379");
RedissonClient redissonClient = Redisson.create(config);

3. 使用RedissonClient對象進(jìn)行數(shù)據(jù)操作

// 獲取字符串對象
RBucket< String > bucket = redissonClient.getBucket("myKey");
bucket.set("myValue");
 
// 獲取Map對象
RMap< String, String > map = redissonClient.getMap("myMap");
map.put("key1", "value1");
 
// 獲取分布式鎖對象
RLock lock = redissonClient.getLock("myLock");
lock.lock();
try {
    // do something
} finally {
    lock.unlock();
}

基于SETNX命令實現(xiàn)

通過使用Redis中的SETNX命令（即SET if Not eXists），可以實現(xiàn)一個簡單的分布式鎖。

SETNX命令是Redis中的一種原子性操作，用于將一個鍵值對（key-value）設(shè)置到Redis中，僅在鍵不存在時才會設(shè)置成功，否則設(shè)置失敗。利用SETNX命令的特性，可以實現(xiàn)分布式鎖的機(jī)制，具體步驟如下：

• 設(shè)置鎖：在Redis中設(shè)置一個鍵值對，鍵為鎖名稱，值為一個隨機(jī)生成的字符串，同時設(shè)置過期時間（防止鎖一直存在，導(dǎo)致死鎖）?？梢允褂靡韵翿edis命令：

SETNX lock_name random_value
EXPIRE lock_name expire_time

• 獲取鎖：如果SETNX命令返回1，則說明鎖設(shè)置成功，此時獲取到了鎖；如果返回0，則說明鎖已經(jīng)被其他節(jié)點持有，此時需要等待一段時間后重試獲取鎖。
• 釋放鎖：釋放鎖時，需要先判斷當(dāng)前線程持有的鎖是否與之前設(shè)置的鎖名稱和值相同，如果相同，則通過DEL命令刪除該鍵值對，釋放鎖。

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

基于RedLock實現(xiàn)

RedLock是一個多節(jié)點分布式鎖算法，它基于Redis和一些簡單的算法來實現(xiàn)高可用的分布式鎖。

與傳統(tǒng)的Redis分布式鎖方案相比，RedLock可以更好地應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)故障和硬件故障等異常情況，提高系統(tǒng)的可用性和穩(wěn)定性。

RedLock算法的基本思想是：將鎖的持有和釋放過程轉(zhuǎn)化為一個競爭資源的問題，通過多節(jié)點協(xié)作的方式來實現(xiàn)鎖的分配和釋放。

具體步驟如下：

1. 對于要加鎖的資源，計算出一個唯一的標(biāo)識（比如使用hash函數(shù)將資源名稱轉(zhuǎn)化為一個32位整數(shù)），作為鎖的名稱。
2. 獲取多個Redis節(jié)點的當(dāng)前時間戳，并計算出一個時鐘偏差（clock drift）。時鐘偏差可以通過取多個Redis節(jié)點的時間戳的平均值來計算。這樣可以避免不同Redis節(jié)點之間的時間不同步而導(dǎo)致的鎖沖突問題。
3. 獲取鎖：對于每個Redis節(jié)點，嘗試通過SET命令獲取鎖。如果獲取鎖成功，則記錄鎖的名稱、鎖的值（一個隨機(jī)字符串）、過期時間以及Redis節(jié)點的標(biāo)識信息（比如IP地址和端口號）。如果獲取鎖失敗，則記錄失敗的節(jié)點信息。
4. 判斷獲取鎖的結(jié)果：統(tǒng)計獲取鎖成功的節(jié)點數(shù)，并根據(jù)Quorum算法（投票算法）來判斷是否獲取鎖成功。如果獲取鎖成功的節(jié)點數(shù)大于等于N/2+1（其中N為Redis節(jié)點數(shù)），則表示鎖獲取成功；否則，表示鎖獲取失敗。
5. 執(zhí)行結(jié)果：如果鎖獲取成功，則執(zhí)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯；如果鎖獲取失敗，則需要嘗試在所有失敗的節(jié)點中找到一個最新的鎖并釋放它，以避免死鎖問題。
6. 釋放鎖：釋放鎖時，需要根據(jù)鎖的名稱和值來判斷當(dāng)前節(jié)點是否持有該鎖。如果當(dāng)前節(jié)點持有該鎖，則通過DEL命令刪除該鍵值對，釋放鎖。

需要注意的是，RedLock算法并不能保證絕對的可用性和正確性，仍然可能存在某些特殊情況下的鎖沖突問題。

因此，在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體業(yè)務(wù)場景和需求來選擇適合的分布式鎖方案，并進(jìn)行充分的測試和優(yōu)化。

基于Lua腳本實現(xiàn)

在Redis中可以使用Lua腳本來實現(xiàn)分布式鎖，其基本思想是通過原子操作將鎖的獲取和釋放過程合并為一個操作，保證鎖的原子性和一致性。

使用Lua腳本可以在Redis中實現(xiàn)一個基于SET命令的分布式鎖，具體實現(xiàn)步驟如下：

1. 生成一個隨機(jī)字符串作為鎖的值，以確保不同的客戶端使用的鎖值不同。
2. 使用SET命令將鎖名作為key，鎖值作為value，過期時間作為expire參數(shù)來設(shè)置鎖，加上NX（Not eXist）選項，只有當(dāng)key不存在時才設(shè)置成功。
3. 在Lua腳本中使用eval命令執(zhí)行以下腳本：

if redis.call('set', KEYS[1], ARGV[1], 'NX', 'PX', ARGV[2]) then
    return 1
else
    return 0
end

其中，KEYS[1]表示鎖的名稱，ARGV[1]表示鎖的值，ARGV[2]表示鎖的過期時間。

4. 結(jié)果：如果eval命令返回1，則表示獲取鎖成功；如果返回0，則表示獲取鎖失敗。
5. 釋放鎖時，可以使用DEL命令刪除鎖的名稱即可。

下面是一個完整的Lua例子：

if redis.call('setnx', KEYS[1], ARGV[1]) == 1 then
    redis.call('expire', KEYS[1], ARGV[2])
    return 1
else
    return 0
end
 
-- 釋放鎖
if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then
    return redis.call('del', KEYS[1])
else
    return 0
end

上面的代碼包括兩個部分：獲取鎖和釋放鎖。

• 獲取鎖：使用setnx命令來嘗試獲取鎖。如果獲取成功，則設(shè)置鎖的過期時間，并返回1表示獲取鎖成功；否則，返回0表示獲取鎖失敗。
• 釋放鎖：先通過get命令獲取鎖的值，判斷當(dāng)前節(jié)點是否持有該鎖。如果持有，則使用del命令刪除該鍵值對并返回1表示釋放鎖成功；否則，返回0表示釋放鎖失敗。

總結(jié)

上面提到的通過Redis實現(xiàn)的分布式鎖幾種方案，在高并發(fā)的情況下，可能存在鎖沖突的問題，因此需要根據(jù)實際業(yè)務(wù)場景來選擇適合的鎖方案，并進(jìn)行充分的測試和優(yōu)化。