Redis分散式鎖的五大演進攻略

本文我們來探討下如何引入分散式鎖解決本地鎖的問題。本篇所有代碼和業務基於我的開源項目 PassJava。

本篇主要內容如下：

首先我們來回顧下本地鎖的問題：

目前題目微服務被拆分成了四個微服務。前端請求進來時，會被轉發到不同的微服務。假如前端接收了 10 W 個請求，每個微服務接收 2.5 W 個請求，假如緩存失效了，每個微服務在訪問資料庫時加鎖，通過鎖（synchronzied 或 lock）來鎖住自己的線程資源，從而防止緩存擊穿。

這是一種本地加鎖的方式，在分散式情況下會帶來數據不一致的問題：比如服務 A 獲取數據後，更新緩存 key =100，服務 B 不受服務 A 的鎖限制，併發去更新緩存 key = 99，最後的結果可能是 99 或 100，但這是一種未知的狀態，與期望結果不一致。流程圖如下所示：

基於上面本地鎖的問題，我們需要一種支持分散式集群環境下的鎖：查詢 DB 時，只有一個線程能訪問，其他線程都需要等待第一個線程釋放鎖資源後，才能繼續執行。

生活中的案例：可以把鎖看成房門外的一把鎖，所有併發線程比作人，他們都想進入房間，房間內只能有一個人進入。當有人進入後，將門反鎖，其他人必須等待，直到進去的人出來。

我們來看下分散式鎖的基本原理，如下圖所示：

我們來分析下上圖的分散式鎖：

大白話解釋：所有請求的線程都去同一個地方“占坑”，如果有坑位，就執行業務邏輯，沒有坑位，就需要其他線程釋放“坑位”。這個坑位是所有線程可見的，可以把這個坑位放到 Redis 緩存或者資料庫，這篇講的就是如何用 Redis 做“分散式坑位”。

Redis 作為一個公共可訪問的地方，正好可以作為“占坑”的地方。

用 Redis 實現分散式鎖的幾種方案，我們都是用 SETNX 命令（設置 key 等於某 value）。只是高階方案傳的參數個數不一樣，以及考慮了異常情況。

我們來看下這個命令，SETNX是set If not exist的簡寫。意思就是當 key 不存在時，設置 key 的值，存在時，什麼都不做。

在 Redis 命令行中是這樣執行的：

set <key> <value> NX

我們可以進到 redis 容器中來試下 SETNX 命令。

先進入容器：

docker exec -it <容器 id> redis-cli

然後執行 SETNX 命令：將 wukong 這個 key 對應的 value 設置成 1111。

set wukong 1111 NX

返回 OK，表示設置成功。重覆執行該命令，返回 nil表示設置失敗。

我們先用 Redis 的 SETNX 命令來實現最簡單的分散式鎖。

我們來看下流程圖：

代碼示例如下，Java 中 setnx 命令對應的代碼為 setIfAbsent。

setIfAbsent 方法的第一個參數代表 key，第二個參數代表值。

// 1.先搶占鎖
Boolean lock = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock", "123");
if(lock) {
  // 2.搶占成功，執行業務
  List<TypeEntity> typeEntityListFromDb = getDataFromDB();
  // 3.解鎖
  redisTemplate.delete("lock");
  return typeEntityListFromDb;
} else {
  // 4.休眠一段時間
  sleep(100);
  // 5.搶占失敗，等待鎖釋放
  return getTypeEntityListByRedisDistributedLock();
}

一個小問題：那為什麼需要休眠一段時間？

因為該程式存在遞歸調用，可能會導致棧空間溢出。

青銅之所以叫青銅，是因為它是最初級的，肯定會帶來很多問題。

設想一種家庭場景：晚上小空一個人開鎖進入了房間，打開了電燈，然後突然斷電了，小空想開門出去，但是找不到門鎖位置，那小明就進不去了，外面的人也進不來。

從技術的角度看：setnx 占鎖成功，業務代碼出現異常或者伺服器宕機，沒有執行刪除鎖的邏輯，就造成了死鎖。

那如何規避這個風險呢？

設置鎖的自動過期時間，過一段時間後，自動刪除鎖，這樣其他線程就能獲取到鎖了。

上面提到的青銅方案會有死鎖問題，那我們就用上面的規避風險的方案來設計下，也就是我們的白銀方案。

還是生活中的例子：小空開鎖成功後，給這款智能鎖設置了一個沙漏倒計時，沙漏完後，門鎖自動打開。即使房間突然斷電，過一段時間後，鎖會自動打開，其他人就可以進來了。

和青銅方案不同的地方在於，在占鎖成功後，設置鎖的過期時間，這兩步是分步執行的。如下圖所示：

清理 redis key 的代碼如下：

// 在 10s 以後，自動清理 lock
redisTemplate.expire("lock", 10, TimeUnit.SECONDS);

完整代碼如下：

// 1.先搶占鎖
Boolean lock = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock", "123");
if(lock) {
    // 2.在 10s 以後，自動清理 lock
    redisTemplate.expire("lock", 10, TimeUnit.SECONDS);
    // 3.搶占成功，執行業務
    List<TypeEntity> typeEntityListFromDb = getDataFromDB();
    // 4.解鎖
    redisTemplate.delete("lock");
    return typeEntityListFromDb;
}

白銀方案看似解決了線程異常或伺服器宕機造成的鎖未釋放的問題，但還是存在其他問題：

因為占鎖和設置過期時間是分兩步執行的，所以如果在這兩步之間發生了異常，則鎖的過期時間根本就沒有設置成功。

所以和青銅方案有一樣的問題：鎖永遠不能過期。

上面的白銀方案中，占鎖和設置鎖過期時間是分步兩步執行的，這個時候，我們可以聯想到什麼：事務的原子性（Atom）。

原子性：多條命令要麼都成功執行，要麼都不執行。

將兩步放在一步中執行：占鎖+設置鎖過期時間。

Redis 正好支持這種操作：

# 設置某個 key 的值並設置多少毫秒或秒 過期。
set <key> <value> PX <多少毫秒> NX
或
set <key> <value> EX <多少秒> NX

然後可以通過如下命令查看 key 的變化。

ttl <key>

下麵演示下如何設置 key 並設置過期時間。註意：執行命令之前需要先刪除 key，可以通過客戶端或命令刪除。

# 設置 key=wukong，value=1111，過期時間=5000ms
set wukong 1111 PX 5000 NX
# 查看 key 的狀態
ttl wukong

執行結果如下圖所示：每運行一次 ttl 命令，就可以看到 wukong 的過期時間就會減少。最後會變為 -2（已過期）。

黃金方案和白銀方案的不同之處：獲取鎖的時候，也需要設置鎖的過期時間，這是一個原子操作，要麼都成功執行，要麼都不執行。如下圖所示：

設置 lock 的值等於 123，過期時間為 10 秒。如果 10 秒 以後，lock 還存在，則清理 lock。

setIfAbsent("lock", "123", 10, TimeUnit.SECONDS);

我們還是舉生活中的例子來看下黃金方案的缺陷。

1）用戶 A 搶占鎖

2）用戶 B 搶占鎖

3）用戶 C 搶占鎖

從上面的案例中我們可以知道，因為用戶 A 處理任務所需要的時間大於鎖自動清理（開鎖）的時間，所以在自動開鎖後，又有其他用戶搶占到了鎖。當用戶 A 完成任務後，會把其他用戶搶占到的鎖給主動打開。

這裡為什麼會打開別人的鎖？因為鎖的編號都叫做 “123”，用戶 A 只認鎖編號，看見編號為 “123”的鎖就開，結果把用戶 B 的鎖打開了，此時用戶 B 還未執行完任務，當然生氣了。

上面的黃金方案的缺陷也很好解決，給每個鎖設置不同的編號不就好了～

如下圖所示，B 搶占的鎖是藍色的，和 A 搶占到綠色鎖不一樣。這樣就不會被 A 打開了。

做了個動圖，方便理解：

動圖演示

靜態圖更高清，可以看看：

與黃金方案的不同之處：

// 1.生成唯一 id
String uuid = UUID.randomUUID().toString();
// 2. 搶占鎖
Boolean lock = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock", uuid, 10, TimeUnit.SECONDS);
if(lock) {
    System.out.println("搶占成功：" + uuid);
    // 3.搶占成功，執行業務
    List<TypeEntity> typeEntityListFromDb = getDataFromDB();
    // 4.獲取當前鎖的值
    String lockValue = redisTemplate.opsForValue().get("lock");
    // 5.如果鎖的值和設置的值相等，則清理自己的鎖
    if(uuid.equals(lockValue)) {
        System.out.println("清理鎖：" + lockValue);
        redisTemplate.delete("lock");
    }
    return typeEntityListFromDb;
} else {
    System.out.println("搶占失敗，等待鎖釋放");
    // 4.休眠一段時間
    sleep(100);
    // 5.搶占失敗，等待鎖釋放
    return getTypeEntityListByRedisDistributedLock();
}

上面的方案看似很完美，但還是存在問題：第 4 步和第 5 步並不是原子性的。

那如何規避這個風險呢？鑽石方案登場。

上面的線程 A 查詢鎖和刪除鎖的邏輯不是原子性的，所以將查詢鎖和刪除鎖這兩步作為原子指令操作就可以了。

如下圖所示，紅色圈出來的部分是鑽石方案的不同之處。用腳本進行刪除，達到原子操作。

那如何用腳本進行刪除呢？

我們先來看一下這段 Redis 專屬腳本：

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

這段腳本和鉑金方案的獲取key，刪除key的方式很像。先獲取 KEYS[1] 的 value，判斷 KEYS[1] 的 value 是否和 ARGV[1] 的值相等，如果相等，則刪除 KEYS[1]。

那麼這段腳本怎麼在 Java 項目中執行呢？

分兩步：先定義腳本；用 redisTemplate.execute 方法執行腳本。

// 腳本解鎖
String script = "if redis.call('get',KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del',KEYS[1]) else return 0 end";
redisTemplate.execute(new DefaultRedisScript<Long>(script, Long.class), Arrays.asList("lock"), uuid);

上面的代碼中，KEYS[1] 對應“lock”，ARGV[1] 對應 “uuid”，含義就是如果 lock 的 value 等於 uuid 則刪除 lock。

而這段 Redis 腳本是由 Redis 內嵌的 Lua 環境執行的，所以又稱作 Lua 腳本。

本篇通過本地鎖的問題引申出分散式鎖的問題。然後介紹了五種分散式鎖的方案，由淺入深講解了不同方案的改進之處。

從上面幾種方案的不斷演進的過程中，知道了系統中哪些地方可能存在異常情況，以及該如何更好地進行處理。

舉一反三，這種不斷演進的思維模式也可以運用到其他技術中。

下麵總結下上面五種方案的缺陷和改進之處。

1）青銅方案

2）白銀方案

3）黃金方案

4）鉑金方案

5）鑽石方案

上述所有代碼都基於 PassJava 開源項目，後端、前端、小程式都上傳到同一個倉庫裡面了，大家可以通過 github 或 碼雲訪問。地址如下：

Github：https://github.com/Jackson0714/PassJava-Platform

碼雲：https://gitee.com/jayh2018/PassJava-Platform

配套教程：www.passjava.cn