redis并发访问的问题之实现分布式锁

在分布式系统中，当有多个客户端需要获取锁时，就需要分布式锁，此时，锁时保存在一个共享存储系统中等，可以被多个客户端共享访问和获取

Redis 本身可以被多个客户端共享访问，正好就是一个共享存储系统，可以用来保存分布式锁。

在介绍分布式锁之前要先介绍一下单机上的锁

单机上的锁：
对于在单机上运行的多线程程序来说，锁本身可以用一个变量表示。变量值为 0 时，表示没有线程获取锁；变量值为 1 时，表示已经有线程获取到锁了。实际上一个线程加锁操作就是检查锁变量的值是否为 0。如果是 0，

就把锁的变量值设置为 1，表示获取到锁，如果不是 0，就返回错误信息，表示加锁失败，已经有别的线程获取到锁了。而一个线程调用释放锁操作，其实就是将锁变量的值置为 0，以便其它线程可以来获取锁。

分布式锁同样可以用一个变量来实现。客户端加锁和释放锁的操作逻辑，也和单机上的加锁和释放锁操作逻辑一致：加锁时同样需要判断锁变量的值，根据锁变量值来判断能否加锁成功；释放锁时需要把锁变量值设置为 0，表明客户端不再持有锁。只不过这个变量需要多个redis实例共同维护。

在分布式场景下，锁变量需要由一个共享存储系统来维护，只有这样，多个客户端才可以通过访问共享存储系统来访问锁变量。相应的，加锁和释放锁的操作就变成了读取、判断和设置共享存储系统中的锁变量值。

对分布式锁的两个要求：

分布式锁的加锁和释放锁的过程，涉及多个操作。所以，在实现分布式锁时，我们需要保证这些锁操作的原子性（因为释放锁的过程涉及到 读取锁，修改变量，删除锁，所以需要保证操作的原子性）；

要求二：共享存储系统保存了锁变量，如果共享存储系统发生故障或宕机，那么客户端也就无法进行锁操作了。在实现分布式锁时，我们需要考虑保证共享存储系统的可靠性，进而保证锁的可靠性。

 

基于单个redis节点实现分布式锁：
作为分布式锁实现过程中的共享存储系统，Redis 可以使用键值对来保存锁变量，再接收和处理不同客户端发送的加锁和释放锁的操作请求。Redis 可以使用一个键值对 lock_key:0 来保存锁变量，其中，键是 lock_key，也是锁变量的名称，锁变量的初始值是 0。如果一个客户端申请加锁，就将其值设为1，释放锁时在将其值置为

加锁包含了三个操作（读取锁变量、判断锁变量值以及把锁变量值设置为 1），而这三个操作在执行时需要保证原子性。--这三个操作都需要原子性，否则的话在第一步，如果两个线程并发读取到锁变量，然后同时进行修改，那么锁变量的值就会错误，会有两个线程访问到临界区代码。

想要保证原子性的方式有来两种，单命令操作和使用lua脚本

但命令操作：setnx 如果键不存在就设置，存在的话就不做任何设置
// 加锁
SETNX lock_key 1
// 业务逻辑
DO THINGS
// 释放锁
DEL lock_key

但是这样会出现问题，

1：客户端加锁后，执行完业务逻辑后，因为网络原因没有执行del，造成锁一直被一个客户端所有，这样的话，锁就无法被其他客户端获得

解决方法：
给锁变量设置一个过期时间。这样一来，即使持有锁的客户端发生了异常，无法主动地释放锁，Redis 也会根据锁变量的过期时间，在锁变量过期后，把它删除。

其它客户端在锁变量过期后，就可以重新请求加锁，这就不会出现无法加锁的问题了。

2：一个客户端执行加锁后，而另一个客户端执行del命令，造成临界资源暴露

解决方案：

在加锁操作时，可以让每个客户端给锁变量设置一个唯一值，这里的唯一值就可以用来标识当前操作的客户端。在释放锁操作时，客户端需要判断，当前锁变量的值是否和自己的唯一标识相等，只有在相等的情况下，才能释放锁。这样一来，就不会出现误释放锁的问题了。

Redis 给 SET 命令提供了类似的选项 NX，用来实现“不存在即设置”。如果使用了 NX 选项，SET 命令只有在键值对不存在时，才会进行设置，否则不做赋值操作。此外，

SET 命令在执行时还可以带上 EX 或 PX 选项，用来设置键值对的过期时间。

key 的存活时间由 seconds 或者 milliseconds 选项值来决定。
SET key value [EX seconds | PX milliseconds]  [NX]
// 加锁, unique_value作为客户端唯一性的标识
SET lock_key unique_value NX PX 10000

 

释放锁过程

//释放锁 比较unique_value是否相等，避免误释放

if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then   

return redis.call("del",KEYS[1])

else    return 0

end

在释放锁操作中，使用了 Lua 脚本，这是因为，释放锁操作的逻辑也包含了读取锁变量、判断值、删除锁变量的多个操作，而 Redis 在执行 Lua 脚本时，

可以以原子性的方式执行，从而保证了锁释放操作的原子性。

 

基于多个redis实例实现分布式锁方式：

只用了一个 Redis 实例来保存锁变量，如果这个 Redis 实例发生故障宕机了，那么锁变量就没有了。此时，客户端也无法进行锁操作了，这就会影响到业务的正常执行。所以，我们在实现分布式锁时，还需要保证锁的可靠性。这就要提到基于多个 Redis 节点实现分布式锁的方式了。

如果用多实例实现分布锁就要用到分布式锁算法 Redlock。

Redlock算法基本思想是让客户端依次向所有实例请求加锁，如果客户端能够和半数以上的实例成功完成加锁操作，那么我们就认为客户端成功获得分布式锁，否则加锁失败。这样一来，即使有单个 Redis 实例发生故障，因为锁变量在其它实例上也有保存，所以，客户端仍然可以正常地进行锁操作，锁变量并不会丢失。因为向多个redis实例申请加锁，必须要规定一个加锁超时时间，否则如果一直阻塞在加锁步骤时，算法就会失效

Redlock 算法的执行步骤：

第一步是，客户端获取当前时间。

第二步是，客户端按顺序依次向 N 个 Redis 实例执行加锁操作。

这里的加锁操作和在单实例上执行的加锁操作一样，使用 SET 命令，带上 NX，EX/PX 选项，以及带上客户端的唯一标识。当然，如果某个 Redis 实例发生故障了，为了保证在这种情况下，Redlock 算法能够继续运行，我们需要给加锁操作设置一个超时时间。加锁操作的超时时间需要远远地小于锁的有效时间，一般也就是设置为几十毫秒。

第三步是，一旦客户端完成了和所有 Redis 实例的加锁操作，客户端就要计算整个加锁过程的总耗时。

客户端只有在满足下面的这两个条件时，才能认为是加锁成功。

条件一：客户端从超过半数（大于等于 N/2+1）的 Redis 实例上成功获取到了锁；

条件二：客户端获取锁的总耗时没有超过锁的有效时间。在满足了这两个条件后，我们需要重新计算这把锁

在满足了这两个条件后，我们需要重新计算这把锁的有效时间，计算的结果是锁的最初有效时间减去客户端为获取锁的总耗时。如果锁的有效时间已经来不及完成共享数据的操作了，我们可以释放锁，以免出现还没完成数据操作，锁就过期了的情况。

 相当于如果第一个实例加锁成功，且最后投票成功的话，那么锁的有效时间为第一个申请加锁的有效时间-加锁总耗时（执行redlock算法时间）当然，如果客户端在和所有实例执行完加锁操作后，没能同时满足这两个条件，那么，客户端向所有 Redis 节点发起释放锁的操作。

 

 

总结：分布式锁得注意事项：
1、使用 SET $lock_key $unique_val EX $second NX 命令保证加锁原子性，并为锁设置过期时间

2、锁的过期时间要提前评估好，要大于操作共享资源的时间

3、每个线程加锁时设置随机值，释放锁时判断是否和加锁设置的值一致，防止自己的锁被别人释放

4、释放锁时使用 Lua 脚本，保证操作的原子性

5、基于多个节点的 Redlock，加锁时超过半数节点操作成功，并且获取锁的耗时没有超过锁的有效时间才算加锁成功

6、Redlock 释放锁时，要对所有节点释放（即使某个节点加锁失败了），因为加锁时可能发生服务端加锁成功，由于网络问题，给客户端回复网络包失败的情况，所以需要把所有节点可能存的锁都释放掉

7、使用 Redlock 时要避免机器时钟发生跳跃，需要运维来保证，对运维有一定要求，否则可能会导致 Redlock 失效。例如共 3 个节点，线程 A 操作 M,N 节点加锁成功，但其中 N个节点机器时钟发生跳跃，锁提前过期，线程 B 正好在另外 N,O节点也加锁成功，此时 Redlock 相当于失效了（Redis 作者和分布式系统专家争论的重要点就在这）相当于一个线程误判成功了，一个线程成功了造成两个线程访问了临界资源。

8、如果为了效率，使用基于单个 Redis 节点的分布式锁即可，此方案缺点是允许锁偶尔失效，优点是简单效率高

9、如果是为了正确性，业务对于结果要求非常严格，建议使用 Redlock，但缺点是使用比较重，部署成本高