20. 分布式锁

PangHu大约 5 分钟

在分布式系统中，实现对共享资源的安全访问是一个关键问题。Redis作为一种高性能的内存数据库，提供了多种方式来实现分布式锁，以解决多个节点之间对共享资源的并发访问问题。

本文将介绍五种Redis分布式锁的解决方案及其原理、应用场景以及Java代码的实现步骤。

1、SETNX

SETNX（SET if Not eXists）命令是Redis提供的一种原子操作，用于设置一个键值对，当键不存在时才设置成功。利用该命令可以实现基本的分布式锁。

SETNX lock_name true

1.1、原理

当节点需要获取锁时，它尝试通过 SETNX 命令设置一个特定的键作为锁。
如果设置成功，表示获取到了锁，可以执行访问共享资源的操作。
用完共享资源使用 DEL 命令释放锁。

1.2、代码实现

Jedis jedis = new Jedis("localhost", 6379);
String lockKey = "my_distributed_lock";
String identifier = UUID.randomUUID().toString();

boolean lockAcquired = jedis.setnx(lockKey, identifier) == 1;
if (lockAcquired) {
    // 成功获取锁
    // 执行访问共享资源的操作
    // ...
    jedis.del(lockKey); // 释放锁
}

1.3、缺点

死锁：可能因网络等原因 DEL 命令执行失败而造成锁无法释放。

2、SET(NX EX)

避免死锁解决方案是为锁设置一个TTL（Time To Live）。

SET 命令支持选项：

NX：表示只在键不存在时才设置。

EX：表示设置键的过期时间（秒）。

SET lock_name arbitrary_lock_value NX EX 10

在上面的命令中，NX 与 SETNX 中的含义相同，而 EX 10 表示 TTL 为 10 秒。

2.1、原理

当节点需要获取锁时，它通过SET命令的(NX EX)选项尝试设置一个特定的键作为锁，并设置锁的过期时间。
如果设置成功，表示获取到了锁，可以执行访问共享资源的操作。

2.2、代码实现

import redis.clients.jedis.Jedis;

public class DistributedLockExample {

    public static void main(String[] args) {
        Jedis jedis = new Jedis("localhost", 6379);

        String lockKey = "my_distributed_lock";
        String identifier = "unique_id"; // Replace with a unique identifier for your node
        int lockTimeout = 5000; // Lock expiration time in milliseconds

        // Try to acquire the lock
        String result = jedis.set(lockKey, identifier, "NX", "EX", lockTimeout / 1000);

        if (result != null && result.equals("OK")) {
            try {
                // Successfully acquired the lock
                System.out.println("Lock acquired, performing the task.");
            } finally {
                // Release the lock
                jedis.del(lockKey);
            }
        } else {
            // Failed to acquire the lock
            System.out.println("Failed to acquire the lock.");
        }
        jedis.close();
    }
}

2.3、缺点

线程A获得锁，在执行业务还未完成时TTL过期，线程A锁被释放，线程B获得锁。线程A后续为无锁执行业务，在线程A完成业务后，执行DE删除锁，因为KEY相同则会导致线程B的锁被删除，线程B后续操作则为无锁执行业务。

如下图所示：

3、SET(NX EX) + 唯一ID

在设置key时，客户端应将唯一的 ID 添加到 kv 对。在删除key之前，检查这个 ID 以确定它是否仍然持有锁。如果 ID 不匹配，则表示该锁被其他客户端持有，当前客户端不应删除该key。

SET lock_name client_id NX EX 10

3.1、原理

当节点需要获取锁时，它通过 SET 命令的 (NX EX) 选项设置一个特定的键作为锁，并设置锁的过期时间。
在设置锁的同时，还设置一个唯一的标识（如uuid）为锁的值。
当节点释放锁时，只有当锁的值与自己的标识相匹配时才释放锁。

3.2、代码实现

import redis.clients.jedis.Jedis;

public class DistributedLockExample {

    public static void main(String[] args) {
        Jedis jedis = new Jedis("localhost", 6379);

        String lockKey = "my_distributed_lock";
        String identifier = UUID.randomUUID().toString();
        int lockTimeout = 30000; // Lock expiration time in milliseconds

        // Try to acquire the lock
        String result = jedis.set(lockKey, identifier, "NX", "EX", lockTimeout / 1000);

        if (result != null && result.equals("OK")) {
            try {
                // Successfully acquired the lock
                System.out.println("Lock acquired, performing the task.");
            } finally {
                // Release the lock (if acquired by the same identifier)
                String currentValue = jedis.get(lockKey);
                if (currentValue != null && currentValue.equals(identifier)) {
                    jedis.del(lockKey);
                }
            }
        } else {
            // Failed to acquire the lock
            System.out.println("Failed to acquire the lock.");
        }

        jedis.close();
    }
}

3.3、缺点

if (currentValue != null && currentValue.equals(identifier)) {
	jedis.del(lockKey);
}

IF 条件和 DEL 是两个独立的操作。极端情况下，IF 条件判定可以释放锁，在执行删除锁操作前刚好TTL过期，其他线程获取锁执行，前者线程删除锁删除的依然是别的线程的锁。

4、SET(NX EX) + 唯一ID + Lua脚本

为了确保释放锁的原子性，可以使用Lua脚本来执行判断+删除操作（lua脚本的执行的原子的）。

lua脚本：

// 如果来自 Redis GET 操作的值等于传入的值，则删除键
if redis.call("get", "lock_name") == ARGV[1]
  then
    return redis.call("del", "lock_name")
  else
    return 0
end

4.1、代码实现

String lockKey = "my_distributed_lock";
String identifier = UUID.randomUUID().toString();

String script = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
Long result = (Long) jedis.eval(script, Collections.singletonList(lockKey), Collections.singletonList(identifier));

if (result == 1) {
    // 成功释放锁
} else {
    // 锁的标识不匹配，可能已被其他节点获取
}

5、Redisson

以上的方案还存在一个问题：不优雅。

若执行业务完成时间不固定，可能小于过期时间也可能大于过期时间，在代码中只能设置可能完成的预估最长时间。

5.1、开源解决方案： Redisson

一旦客户端持有锁，它就会启动一个WatchDog守护线程来定期检查锁是否存在。如果存在，守护线程将重置 TTL 以防止锁自动释放。这种策略被称为租赁策略。防止先于业务完成就释放锁。

5.2、代码实现

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

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

try {
    boolean lockAcquired = lock.tryLock(acquireTimeout, lockTimeout, TimeUnit.MILLISECONDS);
    if (lockAcquired) {
        // 成功获取锁
        // 执行访问共享资源的操作
        // ...
    } else {
        // 获取锁失败，处理重试逻辑
    }
} finally {
    lock.unlock(); // 释放锁
}

6、总结

Redis分布式锁提供了多种解决方案，可以根据具体的应用场景和需求选择合适的方案。无论选择哪种方案，都需要考虑锁的安全性、原子性、续约和释放等问题，以确保在分布式环境中共享资源的安全访问。