Redis实现分布式锁

Redis实现分布式锁

   概要

   分布式锁是一种在分布式系统中，用于确保多个节点在并发访问共享资源时，保证资源操作的互斥性和一致性的一种机制。它在多台机器上协调资源访问，防止不同节点同时对同一资源进行操作，从而避免数据不一致或资源竞争的问题。

   一、分布式锁的常见实现方式

   分布式锁是用来解决分布式应用中并发冲突的一种常用手段，实现方式有：基于MySQL、Zookeeper、redis等。

   1.  基于数据库实现

   使用数据库中的锁表，通过事务和唯一性约束来实现分布式锁。

   优点：简单易用，容易实现。

   缺点：性能较差，数据库压力较大，不适合高并发场景。

   2. 基于缓存（如 Redis）实现

   利用 Redis 的原子操作（如 SET NX）来实现分布式锁，常见的实现如 Redis 的 SET key value NX PX timeout 命令。

   优点：性能高，支持高并发，Redis 原生支持过期时间。

   缺点：需处理锁失效、超时等问题。

   3. 基于 Zookeeper 实现 

   使用 Zookeeper 的临时有序节点机制来实现分布式锁。每个客户端创建一个临时节点，通过最小节点获得锁，删除节点释放锁。

   优点：Zookeeper 保证强一致性，适用于高可靠性的场景。

   缺点：实现复杂，性能不如 Redis。

   二、分布式锁的关键特性

   1. 互斥性

   同一时间只能有一个客户端获得锁，确保操作的原子性。

   2. 可重入性

   同一客户端可多次获取锁，防止死锁（可选）。

   3. 超时机制

   锁设置自动失效时间，防止死锁或资源长时间占用。

   4. 故障恢复

   客户端或节点宕机后，锁应该能自动释放，避免资源被永久占用。

   三、基于缓存Redis实现的分布式锁

   1. 基础使用

   查阅Redis的使用手册，可以看到：Redis Setnx（SET if Not eXists） 命令在指定的 key 不存在时，为 key 设置指定的值。

   基本语法：SETNX KEY_NAME VALUE

   2. 容易遇到的坑

   比如下面这段代码：

<?php

$ok = $redis->setNX($key, $value);

if ($ok) {
    $cache->update();
    $redis->del($key);
}

    我们来分析这样写可能会产生的问题（主要是针对保证设置锁和过期时间的原子性）

    1）因为 SetNX 不具备设置过期时间的功能，所以我们需要借助 Expire 来设置，同时我们需要把两者用 Multi/Exec 包裹起来以确保请求的原子性，以免 SetNX 成功了 Expire 却失败了

<?php
$redis->multi();
$redis->setNX($key, $value);
$redis->expire($key, $ttl);
$redis->exec();

    2）当多个请求到达时，虽然只有一个请求的 SetNX 可以成功，但是任何一个请求的 Expire 却都可以成功，如此就意味着即便获取不到锁，也可以刷新过期时间，如果请求比较密集的话，那么过期时间会一直被刷新，导致锁一直有效。于是乎我们需要在保证原子性的同时，有条件的执行 Expire，接着就需要写一个Lua 脚本来控制。

    3）但是这样一个简单的功能还需要写个Lua脚本，实在有些麻烦。其实 Redis从 2.6.12版本开始 ，SET 涵盖了 SETEX 的功能，并且 SET 本身已经包含了设置过期时间的功能，也就是说，我们前面需要的功能只用 SET 就可以实现。

<?php

$ok = $redis->set($key, $value, array('nx', 'ex' => $ttl));

if ($ok) {
    $cache->update();
    $redis->del($key);
}

   四、应用场景

   主要有这三个场景：

• 定时任务调度：在集群中，防止多个实例同时执行定时任务。
• 资源竞争：控制对共享资源的并发访问，如库存扣减。
• 事务协调：在分布式系统中处理跨节点的事务。

   这里针对资源竞争的情况下，来看看redis分布式锁的使用。

   1. 单用户并发（对同一操作发起多次请求）

   单用户并发的场景有：支付、抽奖、领取奖励、刷新页面初始化用户数据等

   全局唯一锁（只有用户自己能拿到这把锁）

    public function singleTest($openid)
    {
        $redis = new RedisServer(REDIS_HOST, REDIS_PORT); //获取redis实例化对象
        $key = 'single_test'.$openid;  //这里openid是指用户唯一标识
        //设置锁
        $ok = $redis->set($key,1, array('nx', 'ex' => 10));
        if ($ok) {
            //更新缓存
            //$cache->update();
            if ($redis->get($key)) {
                $redis->del($key);
            }
        }
    }

    2. 多用户并发（多用户同时对有限的公共资源进行操作）

    多用户并发的场景有：秒杀、抢购等（短时间内多用户争夺数量有限的物品）

    全局锁（也叫互斥锁、排他锁）：任何一个时刻只有1人能够持有这把锁，其他人等待锁的释放，重新抢锁。

    实现：Redis setnx ,Memcached add ,MySQL 行锁、表锁。

    下面是用Redis来实现的一段代码：

    public function multiTest()
    {
        $redis = new RedisServer(REDIS_HOST, REDIS_PORT); //获取redis实例化对象
        $key = 'multi_test';
        $random = Common::generateRandom(); //引入一个随机值：唯一的字符串
        $ok = $redis->set($key, $random, array('nx', 'ex' => 10));
        if ($ok) {
            //更新缓存
            //...

            //先判断随机数，是同一个则删除锁
            if ($redis->get($key) == $random) {
                $redis->del($key);
            }
        }
    }

   这里引入随机值的原因:

   如果一个请求更新缓存的时间比较长，甚至比锁的有效期还要长，导致在缓存更新过程中，锁就失效了，此时另一个请求会获取锁。

   但前一个请求在缓存更新完毕的时候， 如果不加以判断直接删除锁，就会出现误删除其它请求创建的锁的情况。所以我们在创建锁的时候需要引入一个随机值。

     五、Redisson

     Redisson 广泛应用于 Java 应用 中，是一个开源的Redis客户端库，它可以轻松实现分布式系统中的各种功能，如分布式锁、分布式集合、分布式信号量等。Redisson 提供了一个简化的 Redis 客户端 API，并且是线程安全的，封装了复杂的 Redis 操作，使得在分布式环境中使用 Redis 更加便捷。

     1. 引入依赖

<dependency>
    <groupId>org.redisson</groupId>
    <artifactId>redisson</artifactId>
    <version>3.21.0</version> <!-- 可以根据实际需求选择版本 -->
</dependency>

    2.  使用举例

    在电商系统中，用户提交订单时可能会发生超卖问题。通过 Redisson 的分布式锁，系统可以确保同一件商品在同一时间只能被一个用户锁定，从而避免多个用户同时下单导致超卖。

    直接使用 Redis 的 SETNX 可以实现一个简单的分布式锁，但需要开发者手动处理很多细节，比如：

• 设置锁的过期时间（避免死锁）。
• 检查并删除锁时需要保证原子性。
• 处理锁的自动续期。

    Redisson 封装了这些复杂的逻辑，提供了更方便、安全的分布式锁实现。

    示例如下：

RLock lock = redisson.getLock("order-lock:" + orderId);
try {
    if (lock.tryLock(0, 10, TimeUnit.SECONDS)) {
        // 处理订单逻辑
    }
} finally {
    lock.unlock();
}

     六、针对STW问题的处理

    在 Redis 分布式锁下遇到 STW（Stop-the-World）时，任务可能会因为垃圾回收、网络延迟等原因暂停执行，从而导致任务超时或锁过期。为了确保任务能够顺利完成，并且处理好锁的安全问题，需要从以下几个方面进行设计：

    1.  锁过期时间与自动续期机制

    STW 可能导致任务执行时间过长，从而超出锁的过期时间。为了应对这种情况，可以采取以下措施：

    1）合理设置锁的过期时间：确保锁的过期时间长于任务的预计执行时间。避免任务因为 STW 或其他延迟原因导致锁超时失效。

    2）自动续期机制：使用支持自动续期的 Redis 客户端（如 Redisson）。当锁接近过期时，Redisson 会自动延长锁的过期时间，避免任务被中断。

    举个例子：

RLock lock = redisson.getLock("myLock");
boolean locked = lock.tryLock(10, 30, TimeUnit.SECONDS); // 锁最多有效30秒
if (locked) {
    try {
        // 执行任务，Redisson 会自动续期锁
        executeLongRunningTask();
    } finally {

        // 不需要额外的检查，Redisson 会自动检查是否由当前线程持有
       lock.unlock();  // 只有当前线程持有锁时才能释放
    }
} else {
    // 锁获取失败，执行备用方案
}   

   2.  重试机制

   在获取锁失败时，进行重试，直到成功获取锁。通过设置合适的重试间隔和最大重试次数，避免锁的竞争和过度请求。

   通过重试机制，系统可以在一定的重试间隔内，反复尝试获取锁，从而减少由于 STW 引发的锁竞争问题。如下图：

   举个例子：

RLock lock = redisson.getLock("myLock");

RetryPolicy retryPolicy = new RetryPolicy()
    .withMaxAttempts(5)  // 最大重试次数
    .withInitialDelay(2, TimeUnit.SECONDS) // 初始延迟时间为2秒
    .withDelay(3, TimeUnit.SECONDS) // 每次重试之间的间隔为3秒
    .withJitter(1,TimeUnit.SECONDS); // 允许的抖动范围0-1秒

// 创建带有自定义重试策略的锁
lock = redisson.getLock("myLock", retryPolicy);

try {
    boolean locked = lock.tryLock(10, 30, TimeUnit.SECONDS);
    if (locked) {
        // 执行任务
        executeTask();
    } else {
        System.out.println("获取锁失败，执行备用方案");
    }
} catch (InterruptedException e) {
    Thread.currentThread().interrupt();
}

   3. 任务幂等性

   确保任务具有幂等性，即使任务执行被中断或重试多次，也能保证最终结果一致。

 

   参考链接：https://blog.huoding.com/2015/09/14/463