一文詳解如何使用Redis實現分散式鎖

2022-09-06 18:07:26

1. 什麼是分散式鎖

當我們在編寫多執行緒程式碼的時候，不同的執行緒可能會發生資源的爭奪，為了避免資源爭奪造成的錯誤，我們會對資源上鎖，只有獲得鎖的執行緒才能繼續往下執行。

程序中的鎖，本質就是記憶體中一個變數，當一個執行緒執行某個操作申請加鎖時，如果能成功把代表鎖的變數值設定為1，則表示獲得了鎖，其他執行緒想要獲得鎖時會阻塞，而擁有鎖的執行緒執行完操作後，再把鎖的值設定為0，則表示釋放了鎖。

上面我們說的是在一臺伺服器的程序內不同執行緒之間的鎖，這個鎖是放在記憶體中的，而對於分散式應用程式來說，不同的應用(程序或執行緒)部署在不同的伺服器上，這樣就不能通過記憶體中的變數來表示鎖。

即然在一臺伺服器上可以通過記憶體這塊共用的空間來表示鎖，那麼對於分散式應用程式來說，可以共用儲存系統來儲存一個共用鎖，這就是分散式鎖，而Redis作為記憶體資料庫，執行非常快，很適合作為實現分散式鎖的共用儲存系統。

2. 使用Redis實現分散式鎖

對於一個鎖來說，其實只有兩個操作，加鎖和釋放鎖，下面我們看來看通過Redis要怎麼實現？

2.1 加鎖

Redis的setnx命令會判斷鍵值是否存在，如果存在則不做任何操作，並返回0，如果不存在，則建立並賦值，並返回1，因此我們可以執行setnx為一個代表鎖鍵設定值，如果能設定成功，則表示獲得鎖，失敗則無法獲得鎖。

# 使用key為lock來表示一個鎖
setnx lock 1

2.2 釋放鎖

當執行好操作之後，要釋放鎖的時候直接把Redis裡的鍵值lock刪除就可以了，這樣其他程序才能通過setnx命令重新設定並獲得該鎖。

# 釋放鎖
del lock

通過上面兩個命令，我們實現了一個簡單的分散式鎖，但這裡就出現了一個問題：如果一個程序通過setnx命令加鎖之後，在執行具體操作出錯了，沒有辦法及時釋放鎖，那麼其他程序就無法獲得該鎖，系統便無法繼續往下執行，解決這個問題的辦法就是為鎖設定一個有效期，在這個有效期之後，自動釋放鎖。

2.3 給鎖設定有效期

給鎖設定有效期非常簡單，直接使用Redis的expire命令就可以了，如：

# 加鎖
setnx lock 1 
# 給鎖設定10s有效期
expire lock 10

但是，現在又出現另一個問題了，如果我們在設定了鎖之後，執行expire命令之前該程序掛掉了，那麼expire就沒有執行成功，鎖一樣是沒有被釋放掉的，所以一定要保證上面兩個命令要一起執行，怎麼保證呢？

有兩個方法，一個是使用LUA語言編寫的指令碼，另一個是使用Redis的set命令，set命令後面跟nx引數後，執行的效果與setnx一致，且set命令可以跟ex引數來設定過期時間，所以我們可以使用set命令把setnx和expire兩個合併在一起，這樣就可以保證執行的原子性了。

# 判斷是否鍵值是否存在，ex後面跟著的是鍵值的有效期,10s
set lock 1 nx ex 10

解決了鎖的有效問題，現在我們再來看另外一個問題。

如上圖所示，現在有A，B，C三個不同伺服器上的程序在執行某個操作都需要獲得鎖，執行後要釋放鎖。

現在的情況是程序A執行第2步時卡頓了(上面綠色區域所示)，且時間超出了鎖有效期，所以程序A設定的鎖自動釋放了，這時候程序B獲得了鎖，並開始執行操作，但由於程序A只是卡頓了而已，所以會繼續執行的時候，在第3步的時候會手動釋放鎖，但是這個時候，鎖由執行緒B所擁有，也就是說程序A刪除的不是自己的鎖，而程序B的鎖，這時候程序B還沒執行完，但鎖被釋放後，程序C可以加鎖，也就是說由於程序A卡頓釋放錯了鎖，導致程序B和程序C可以同時獲得鎖。

怎麼避免這種情況呢？如何區分其他程序的鎖，避免刪除其他程序的鎖呢？答案就是每個程序在加鎖的時候，給鎖設定一個唯一值，並在釋放鎖的時候，判斷是不是自己設定的鎖。

2.4 給鎖設定唯一值

給鎖設定唯一值的時候，一樣是使用set命令，唯一的不同是將鍵值1改為一個隨機生成的唯一值，比如uuid。

 # rand_uid表示唯一id
set lock rand_id nx ex 10

當鎖裡的值由程序設定後，釋放鎖的時候，就需要判斷鎖是不是自己的，步驟如下：

通過Redis的get命令獲得鎖的值
根據獲得的值，判斷鎖是不是自己設定的
如果是，通過del命令釋放鎖。

此時我們看到，釋放鎖需要執行三個操作，如果三個操作依次執行的話，是沒有辦法保證原子性的，比如程序A在執行到第2步後，準備開始執行del命令時，而鎖由時有效期到了，被自動釋放了，並被其他伺服器上的程序B獲得鎖，但這時候執行緒A執行del還是把執行緒B的鎖給刪掉了。

解決這個問題的辦法就是保證上述三個操作執行的原子性，即在執行釋放鎖的三個操作中，其他程序不可以獲得鎖，想要做到這一點，需要使用到LUA指令碼。

2.5 通過LUA指令碼實現釋放鎖的原子性

Redis支援LUA指令碼，LUA腳裡的程式碼執行的時候，其他使用者端的請求不會被執行，這樣可以保證原子性操作，所以我們可以使用下面指令碼進行鎖的釋放：

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

將上述指令碼儲存為指令碼後，可以呼叫Redis使用者端命令redis-cli來執行，如下：

# lock為key,rand_id表示key裡儲存的值
redis-cli --eval unlock.lua lock , rand_id

3. 小結

無論是本地鎖還是分散式鎖，鎖的本質就是一個共用的變數，只是在實現分散式鎖時候，把這個變數移到了Redis伺服器所在的記憶體中。

在上面實現分散式鎖的過程中我們碰到了以下幾個問題：

如何保證加鎖操作的原子性？
如何保證程序崩潰自動釋放鎖？
如何避免刪錯其他程序的鎖？
如何保證釋放鎖操作的原子性？

在解決上述問題的時候，我們也一步步完善一個可以在實際開發中應用的Redis分散式鎖。

到此這篇關於一文詳解如何使用Redis實現分散式鎖的文章就介紹到這了,更多相關Redis實現分散式鎖內容請搜尋it145.com以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大家以後多多支援it145.com！