基于Redis实现简单的分布式锁【理论】

摘要

分布式锁在很多应用场景下是非常有效的手段，比如当运行在多个机器上的不同进程需要访问同一个竞争资源的时候，那么就会涉及到进程对资源的加锁和释放，这样才能保证数据的安全访问。分布式锁实现的方案有很多，比如基于ZooKeeper实现、或者基于Mysql实现等等，今天我们来一起看看如何基于Redis实现分布式锁服务。

分布式锁要点

对于分布式锁的目标，我们必须首先明确三点：

1. 任何一个时间点必须只能够有一个客户端拥有锁。
2. 不能够有死锁，也就是最终客户端都能够获得锁，尽管可能会经历失败。
3. 错误容忍性要好，只要有大部分的Redis实例存活，客户端就应该能够获得锁。

一种简单的方法

理解了上面我们列出的三个点，我们来分析一下一般的基于Redis实现的分布式锁：

使用Redis实现锁最简单的办法是创建一个key，且这个key通常有有限的存活时间，这一点可以利用Redis的过期时间特性，所以锁最终会被释放掉，当客户端需要释放资源的时候，客户端delete这个key即可。

So far so good!但是有个单点问题，假如Redis master挂掉怎么办，因此我们需要加个slave，当master挂掉的时候可以切换到slave。这又带来了新的问题，由于Redis的复制是异步的，因此我们不能保证同时只有一个客户端获得锁。

这个模型有很显然的竞态：

1. Client A在Master上面获得了锁。
2. master在数据同步到slave之前挂掉了。
3. slave升级成为master。
4. Client B申请了同样的资源的锁，成功了！

在特定条件下这种情况是会发生的，当出现多个客户端同时获得锁的时候，我们就认为可以这种锁方案是不可靠的。

基于Redis单例的实现

为了后面更好的了解分布式锁的实现，我们先来看看如何基于Redis单例实现锁服务。我们可以用下面方法获得锁：

SET resource_name my_random_value NX PX 30000

上面的命令在只有当key不存在的时候会执行成功（NX选项），同时会设置过期时间为30000ms（PX选项）。key的值会被设置为my_random_value。这个值在多个客户端和锁中必须是唯一的，我们使用random value是为了方便安全地释放锁，看看下面的脚本：

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

只有当key存在且值是预期的值的时候才会删除key。这种方式可以避免误删除其他客户端创建的锁。例如，当客户端获取锁之后执行一个很长时间的逻辑，一直过了锁的过期时间，这个时候锁会被自动释放掉，而另外一个客户端又获取了这个锁，前一个客户端终于执行完了逻辑执行，回头释放锁，删除key，其实这个时候释放的已经是另外一个客户端持有的锁了。使用DEL是不安全的，因为客户端有可能误删其他客户端持有的锁。上面脚本的方法的好处是每次获得锁的时候加上一个随机的签名，当释放锁的时候去看看是不是自己持有的锁，这个时候就不会误删。    

现在我们学会了如何在Redis单例上获取锁和释放锁，那么接下来我们看看如何在Redis集群上获取锁和释放锁。

基于Redlock算法的实现

在分布式环境下，假设我们有N个master，这些节点都是独立的，因此我们没有配置复制策略。上面我们已经学会了如何在单机环境下获取锁和释放锁，我们假设的更具体一些，N=5，为了能获取锁，客户端的步骤为：

1. 获取当前系统的时间，以毫秒为单位。
2. 顺序的获取N个Redis实例上的锁，在每个实例中都用同样的key和value。在步骤2中，客户端需要一个比过期时间小很多的超时时间，例如，如果自动过期时间为10s，那么超时时间大概是5~50ms，这样可以避免客户端一直被阻塞，而不能继续请求下一个实例。
3. 客户端每次都要计算已经过去了多长时间，使用的时间是否小于key自动过期的时间同时又获取了至少3个实例的锁。如果是，那么我们认为客户端此次获取锁成功。
4. 如果锁被获取了，锁的过期时间必须要减去获取锁花费的时间。
5. 如果当前客户端获取锁失败，客户端需要释放所有之前获取到的锁。

总结

这篇文章主要介绍Redis实现分布式锁的基本方法，然后分别介绍通过Redis单例和Redis集群实现分布式锁的方法。

参考文献

《Redis官方文档》

原文链接：https://my.oschina.net/andylucc/blog/677797