聊聊分布式锁原理及Redis如何实现分布式锁

24432023-02-01 11:15:49

本篇文章给大家带来了关于redis的相关知识，其中主要介绍了关于分布式锁是什么？Redis又是怎么实现分布式锁的？需要满足什么条件？下面一起来看一下吧，希望对需要的朋友有帮助。

一、分布式锁基本原理

分布式锁：满足分布式系统或集群模式下多进程可见并且互斥的锁。

分布式锁应该满足的条件：

可见性：多个线程都能看到相同的结果，注意：这个地方说的可见性并不是并发编程中指的内存可见性，只是说多个进程之间都能感知到变化的意思
互斥：互斥是分布式锁的最基本的条件，使得程序串行执行
高可用：程序不易崩溃，时时刻刻都保证较高的可用性
高性能：由于加锁本身就让性能降低，所有对于分布式锁本身需要他就较高的加锁性能和释放锁性能
安全性：安全也是程序中必不可少的一环

常见的分布式锁有三种：

Mysql：mysql本身就带有锁机制，但是由于mysql性能本身一般，所以采用分布式锁的情况下，其实使用mysql作为分布式锁比较少见
Redis：redis作为分布式锁是非常常见的一种使用方式，现在企业级开发中基本都使用redis或者zookeeper作为分布式锁，利用setnx这个方法，如果插入key成功，则表示获得到了锁，如果有人插入成功，其他人插入失败则表示无法获得到锁，利用这套逻辑来实现分布式锁
Zookeeper：zookeeper也是企业级开发中较好的一个实现分布式锁的方案

聊聊分布式锁原理及Redis如何实现分布式锁

二、基于Redis实现分布式锁

实现分布式锁时需要实现的两个基本方法：

获取锁：

互斥：确保只能有一个线程获取锁
非阻塞：尝试一次，成功返回true，失败返回false

释放锁：

手动释放
超时释放：获取锁时添加一个超时时间

基于Redis实现分布式锁原理：

SET resource_name my_random_value NX PX 30000

resource_name：资源名称，可根据不同的业务区分不同的锁
my_random_value：随机值，每个线程的随机值都不同，用于释放锁时的校验
NX：key不存在时设置成功，key存在则设置不成功
PX：自动失效时间，出现异常情况，锁可以过期失效

利用NX的原子性，多个线程并发时，只有一个线程可以设置成功，设置成功表示获得锁，可以执行后续的业务处理；如果出现异常，过了锁的有效期，锁自动释放；

版本一

1、定义ILock接口

public interface ILock extends AutoCloseable {
    /**
     * 尝试获取锁
     *
     * @param timeoutSec 锁持有的超时时间，过期后自动释放
     * @return true代表获取锁成功；false代表获取锁失败
     */
    boolean tryLock(long timeoutSec);
 
    /**
     * 释放锁
     * @return
     */
    void unLock();
}

2、基于Redis实现分布式锁—RedisLock

public class SimpleRedisLock {
    private final StringRedisTemplate stringRedisTemplate;
    private final String name;
 
    public SimpleRedisLock(StringRedisTemplate stringRedisTemplate, String name) {
        this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;
        this.name = name;
    }
 
    private static final String KEY_PREFIX = "lock:";
 
    @Override
    public boolean tryLock(long timeoutSec) {
        //获取线程标识
        String threadId = Thread.currentThread().getId();
        //获取锁
        Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue()
                .setIfAbsent(KEY_PREFIX + name, threadId, timeoutSec, TimeUnit.SECONDS);
        return Boolean.TRUE.equals(success);
    }
 
    @Override
    public void unLock() {
        //通过del删除锁
        stringRedisTemplate.delete(KEY_PREFIX + name);
    }
 
    @Override
    public void close() {
        unLock();
    }
}

锁误删问题

问题说明：

持有锁的线程1在锁的内部出现了阻塞，这时锁超时自动释放，这时线程2尝试获得锁，然后线程2在持有锁执行过程中，线程1反应过来，继续执行，走到了删除锁逻辑，此时就会把本应该属于线程2的锁进行删除，这就是锁误删的情况。

解决方案：

在存入锁时，放入自己线程的标识，在删除锁时，判断当前这把锁的标识是不是自己存入的，如果是，则进行删除，如果不是，则不进行删除。

版本二：解决锁误删问题

public class SimpleRedisLock {
    private final StringRedisTemplate stringRedisTemplate;
    private final String name;
 
    public SimpleRedisLock(StringRedisTemplate stringRedisTemplate, String name) {
        this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;
        this.name = name;
    }
 
    private static final String KEY_PREFIX = "lock:";
    private static final String ID_PREFIX = UUID.randomUUID().toString(true) + "-";
 
    @Override
    public boolean tryLock(long timeoutSec) {
        //获取线程标识
        String threadId = ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId();
        //获取锁
        Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue()
                .setIfAbsent(KEY_PREFIX + name, threadId, timeoutSec, TimeUnit.SECONDS);
        return Boolean.TRUE.equals(success);
    }
 
    @Override
    public void unLock() {
        // 获取线程标示
        String threadId = ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId();
        // 获取锁中的标示
        String id = stringRedisTemplate.opsForValue().get(KEY_PREFIX + name);
        // 判断标示是否一致
        if(threadId.equals(id)) {
            // 释放锁
            stringRedisTemplate.delete(KEY_PREFIX + name);
        }
    }
 
    @Override
    public void close() {
        unLock();
    }
}

锁释放的原子性问题

问题分析：

上述释放锁的代码依然存在锁误删问题，当线程1获取锁中的线程标识，并根据标识判断是自己的锁，这时锁到期自动释放，恰好线程2尝试获取锁，并拿到了锁，此时线程1依然执行释放锁的操作，就导致误删了线程2持有的锁。

原因在于，由java代码实现的释放锁流程不是原子操作，存在线程安全问题。

解决方案：

Redis提供了Lua脚本功能，在一个脚本中编写多条Redis命令，可以确保多条命令执行时的原子性。

版本三：调用Lua脚本改造分布式锁

public class SimpleRedisLock implements ILock {
    private final StringRedisTemplate stringRedisTemplate;
    private final String name;
 
    public SimpleRedisLock(StringRedisTemplate stringRedisTemplate, String name) {
        this.stringRedisTemplate = stringRedisTemplate;
        this.name = name;
    }
 
    private static final String KEY_PREFIX = "lock:";
    private static final String ID_PREFIX = UUID.randomUUID().toString(true) + "-";
 
    @Override
    public boolean tryLock(long timeoutSec) {
        //获取线程标识
        String threadId = ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId();
        //获取锁
        Boolean success = stringRedisTemplate.opsForValue()
                .setIfAbsent(KEY_PREFIX + name, threadId, timeoutSec, TimeUnit.SECONDS);
        return Boolean.TRUE.equals(success);
    }
 
    @Override
    public void unLock() {
        String script = "if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then\n" +
                " return redis.call("del",KEYS[1])\n" +
                "else\n" +
                " return 0\n" +
                "end";
        //通过执行lua脚本实现锁删除，可以校验随机值
        RedisScript<Boolean> redisScript = RedisScript.of(script, Boolean.class);
        stringRedisTemplate.execute(redisScript,
                Collections.singletonList(KEY_PREFIX + name),
                ID_PREFIX + Thread.currentThread().getId());
    }
 
    @Override
    public void close() {
        unLock();
    }
}