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实现

Redis 锁主要利用 Redis 的 setnx 命令。

  • 加锁命令：SETNX key value，当键不存在时，对键进行设置操作并返回成功，否则返回失败。KEY 是锁的唯一标识，一般按业务来决定命名。
  • 解锁命令：DEL key，通过删除键值对释放锁，以便其他线程可以通过 SETNX 命令来获取锁。
  • 锁超时：EXPIRE key timeout, 设置 key 的超时时间，以保证即使锁没有被显式释放，锁也可以在一定时间后自动释放，避免资源被永远锁住。

在springboot的中，Redis 的 setnx 命令为 setIfAbsent 方法

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上述锁实现方式存在一些问题

SETNX 和 EXPIRE 非原子性

如果 SETNX 成功，在设置锁超时时间后，服务器挂掉、重启或网络问题等，导致 EXPIRE 命令没有执行，锁没有设置超时时间变成死锁。
Redis实现分布式锁 - 图2
有很多开源代码来解决这个问题，比如使用 lua 脚本。示例：

  1. if (redis.call('setnx', KEYS[1], ARGV[1]) < 1)
  2. then return 0;
  3. end;
  4. redis.call('expire', KEYS[1], tonumber(ARGV[2]));
  5. return 1;
  7. // 使用实例
  8. EVAL "if (redis.call('setnx',KEYS[1],ARGV[1]) < 1) then return 0; end; redis.call('expire',KEYS[1],tonumber(ARGV[2])); return 1;" 1 key value 100

锁误解除

如果线程 A 成功获取到了锁，并且设置了过期时间 30 秒，但线程 A 执行时间超过了 30 秒，锁过期自动释放，此时线程 B 获取到了锁；随后 A 执行完成，线程 A 使用 DEL 命令来释放锁，但此时线程 B 加的锁还没有执行完成，线程 A 实际释放的线程 B 加的锁。
Redis实现分布式锁 - 图3
image.png

超时解锁导致并发

如果线程 A 成功获取锁并设置过期时间 30 秒，但线程 A 执行时间超过了 30 秒，锁过期自动释放，此时线程 B 获取到了锁，线程 A 和线程 B 并发执行。
Redis实现分布式锁 - 图5
A、B 两个线程发生并发显然是不被允许的，一般有两种方式解决该问题：

  • 将过期时间设置足够长，确保代码逻辑在锁释放之前能够执行完成。
  • 为获取锁的线程增加守护线程，为将要过期但未释放的锁增加有效时间。

Redis实现分布式锁 - 图6

不可重入

当线程在持有锁的情况下再次请求加锁，如果一个锁支持一个线程多次加锁，那么这个锁就是可重入的。如果一个不可重入锁被再次加锁，由于该锁已经被持有，再次加锁会失败。Redis 可通过对锁进行重入计数，加锁时加 1，解锁时减 1，当计数归 0 时释放锁。

private static ThreadLocal<Map<String, Integer>> LOCKERS = ThreadLocal.withInitial(HashMap::new);
// 加锁
public boolean lock(String key) {
  Map<String, Integer> lockers = LOCKERS.get();
  if (lockers.containsKey(key)) {
    lockers.put(key, lockers.get(key) + 1);
    return true;
  } else {
    if (SET key uuid NX EX 30) {
      lockers.put(key, 1);
      return true;
    }
  }
  return false;
}
// 解锁
public void unlock(String key) {
  Map<String, Integer> lockers = LOCKERS.get();
  if (lockers.getOrDefault(key, 0) <= 1) {
    lockers.remove(key);
    DEL key
  } else {
    lockers.put(key, lockers.get(key) - 1);
  }
}

本地记录重入次数虽然高效，但如果考虑到过期时间和本地、Redis 一致性的问题，就会增加代码的复杂性。另一种方式是 Redis Map 数据结构来实现分布式锁，既存锁的标识也对重入次数进行计数。

无法等待锁释放

上述命令执行都是立即返回的，如果客户端可以等待锁释放就无法使用。

  • 可以通过客户端轮询的方式解决该问题，当未获取到锁时，等待一段时间重新获取锁，直到成功获取锁或等待超时。这种方式比较消耗服务器资源，当并发量比较大时，会影响服务器的效率。
  • 另一种方式是使用 Redis 的发布订阅功能，当获取锁失败时，订阅锁释放消息，获取锁成功后释放时，发送锁释放消息。

Redis实现分布式锁 - 图7

集群

主备切换

为了保证 Redis 的可用性，一般采用主从方式部署。主从数据同步有异步和同步两种方式，Redis 将指令记录在本地内存 buffer 中，然后异步将 buffer 中的指令同步到从节点，从节点一边执行同步的指令流来达到和主节点一致的状态，一边向主节点反馈同步情况。
在包含主从模式的集群部署方式中，当主节点挂掉时，从节点会取而代之，但客户端无明显感知。当客户端 A 成功加锁，指令还未同步，此时主节点挂掉，从节点提升为主节点，新的主节点没有锁的数据，当客户端 B 加锁时就会成功。
Redis实现分布式锁 - 图8

集群脑裂

集群脑裂指因为网络问题，导致 Redis master 节点跟 slave 节点和 sentinel 集群处于不同的网络分区，因为 sentinel 集群无法感知到 master 的存在，所以将 slave 节点提升为 master 节点，此时存在两个不同的 master 节点。Redis Cluster 集群部署方式同理。
当不同的客户端连接不同的 master 节点时，两个客户端可以同时拥有同一把锁。

Redisson实现

原理分析

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上锁源码：
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Redission底层加锁执行的是LUA脚本，因为LUA脚本在Redis底层是一条命令，无法分割，从而保证了原子性。超时时间默认30秒。
redission底层很多实现都用到了LUA脚本，保证了原子性。
redission 的锁释放延迟时间是异步执行的，延时的时间为最初设置超时时间的三分之一，（默认超时为30s,续命超时时间为10s）
redis 在集群模式下，在分布式系统里满足的是AP（CAP原理，C一致性，A可用性，P分区容错性），而zookeeper而是CP。
如果对并发要求高的需求，最好使用Redis。

redis如何解决主从失效的问题

RedLock（红锁）
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底层实现和zk有些类似。主节点同时向从节点加锁，一半以上加锁成功才会认为加锁成功。从节点之间没有依赖关系，是平等的。
RedLock并不能100% 的解决问题，还会带来性能的问题，如果一半以上节点加锁失败，还是涉及到锁回滚的问题。
不推荐使用RedLock，要不使用Redission（Redis）要不使用ZK。