Redis分散式鎖的正確實作方式介紹

分散式鎖定一般有三種實作方式：

1、資料庫樂觀鎖定；

2、基於Redis的分散式鎖定；

3、基於ZooKeeper的分散式鎖定。

本文將介紹第二種方式，基於Redis實作分散式鎖定。雖然網路上已經有各種介紹Redis分散式鎖實現的博客，然而他們的實現卻有著各種各樣的問題，為了避免誤人子弟，本篇博客將詳細介紹如何正確地實現Redis分散式鎖。

可靠性

首先，為了確保分散式鎖定可用，我們至少要確保鎖定的實作同時滿足以下四個條件：

1、互斥性。在任意時刻，只有一個客戶端能持有鎖。

2、不會發生死鎖。即使有一個客戶端在持有鎖的期間崩潰而沒有主動解鎖，也能保證後續其他客戶端能加鎖。

3、具有容錯性。只要大部分的Redis節點正常運行，客戶端就可以加鎖解鎖。

4、解鈴還須繫鈴人。加鎖和解鎖必須是同一個客戶端，客戶端自己不能把別人加的鎖給解了。

程式碼實作

元件依賴

首先我們要透過Maven引入Jedis開源元件，在pom.xml檔加入下面的程式碼：

<dependency>
    <groupId>redis.clients</groupId>
    <artifactId>jedis</artifactId>
    <version>2.9.0</version>
</dependency>

加鎖程式碼

正確姿勢

Talk is cheap, show me the code。先展示程式碼，再帶大家慢慢解釋為什麼這樣實作：

public class RedisTool {

    private static final String LOCK_SUCCESS = "OK";
    private static final String SET_IF_NOT_EXIST = "NX";
    private static final String SET_WITH_EXPIRE_TIME = "PX";

    /**
     * 尝试获取分布式锁
     * @param jedis Redis客户端
     * @param lockKey 锁
     * @param requestId 请求标识
     * @param expireTime 超期时间
     * @return 是否获取成功
     */
    public static boolean tryGetDistributedLock(Jedis jedis, String lockKey, String requestId, int expireTime) {

        String result = jedis.set(lockKey, requestId, SET_IF_NOT_EXIST, SET_WITH_EXPIRE_TIME, expireTime);

        if (LOCK_SUCCESS.equals(result)) {
            return true;
        }
        return false;

    }

}

可以看到，我們加鎖就一行程式碼：jedis.set(String key, String value, String nxxx, String expx, int time )，這個set()方法一共有五個形參：

第一個為key，我們使用key來當鎖，因為key是唯一的。

第二個為value，我們傳的是requestId，很多童鞋可能不明白，有key作為鎖不就夠了嗎，為什麼還要用到value？原因就是我們在上面講到可靠性時，分散式鎖要滿足第四個條件解鈴還須系鈴人，透過給value賦值為requestId，我們就知道這把鎖是哪個請求加的了，在解鎖的時候就可以有依據。 requestId可以使用UUID.randomUUID().toString()方法產生。

第三個為nxxx，這個參數我們填的是NX，意思是SET IF NOT EXIST，即當key不存在時，我們進行set操作；若key已經存在，則不做任何操作；

第四個為expx，這個參數我們傳的是PX，意思是我們要給這個key加一個過期的設置，具體時間由第五個參數決定。

第五個為time，與第四個參數相呼應，代表key的過期時間。

總的來說，執行上面的set()方法就只會導致兩種結果：1. 目前沒有鎖（key不存在），那麼就進行加鎖操作，並對鎖設定個有效期，同時value表示加鎖的客戶端。 2. 已有鎖存在，不做任何操作。

心細的童鞋就會發現了，我們的加鎖程式碼滿足我們可靠性裡描述的三個條件：

1、首先，set()加入了NX參數，可以保證如果已有key存在，則函數不會呼叫成功，也就是只有一個客戶端能持有鎖，滿足互斥性。

2、其次，由於我們對鎖設定了過期時間，即使鎖的持有者後續發生崩潰而沒有解鎖，鎖也會因為到了過期時間而自動解鎖（即key被刪除），不會發生死鎖。

3、最後，因為我們將value賦值為requestId，代表加鎖的客戶端請求標識，那麼在客戶端在解鎖的時候就可以進行校驗是否是同一個客戶端。由於我們只考慮Redis單機部署的場景，所以容錯性我們暫不考慮。

錯誤範例1

比較常見的錯誤範例就是使用jedis.setnx()和jedis.expire()組合實作加鎖，程式碼如下：

public static void wrongGetLock1(Jedis jedis, String lockKey, String requestId, int expireTime) {

    Long result = jedis.setnx(lockKey, requestId);
    if (result == 1) {
        // 若在这里程序突然崩溃，则无法设置过期时间，将发生死锁
        jedis.expire(lockKey, expireTime);
    }

}

setnx()方法功能就是SET IF NOT EXIST，expire()方法就是在鎖定加上過期時間。乍看之下好像和前面的set()方法結果一樣，然而由於這是兩個Redis指令，不具有原子性，如果程式在執行完setnx()之後突然崩潰，導致鎖沒有設定過期時間。那麼將會發生死鎖。網路上之所以有人這樣實現，是因為低版本的jedis並不支援多參數的set()方法。

錯誤範例2

public static boolean wrongGetLock2(Jedis jedis, String lockKey, int expireTime) {

    long expires = System.currentTimeMillis() + expireTime;
    String expiresStr = String.valueOf(expires);

    // 如果当前锁不存在，返回加锁成功
    if (jedis.setnx(lockKey, expiresStr) == 1) {
        return true;
    }

    // 如果锁存在，获取锁的过期时间
    String currentValueStr = jedis.get(lockKey);
    if (currentValueStr != null && Long.parseLong(currentValueStr) < System.currentTimeMillis()) {
        // 锁已过期，获取上一个锁的过期时间，并设置现在锁的过期时间
        String oldValueStr = jedis.getSet(lockKey, expiresStr);
        if (oldValueStr != null && oldValueStr.equals(currentValueStr)) {
            // 考虑多线程并发的情况，只有一个线程的设置值和当前值相同，它才有权利加锁
            return true;
        }
    }
        
    // 其他情况，一律返回加锁失败
    return false;

}

這一種錯誤範例就比較難以發現問題，實作也比較複雜。實作想法：使用jedis.setnx()指令實作加鎖，其中key是鎖，value是鎖的過期時間。

執行程序：

1、透過setnx()方法嘗試加鎖，如果目前鎖不存在，回傳加鎖成功。

2、如果鎖已經存在則取得鎖的過期時間，和當前時間比較，如果鎖已經過期，則設定新的過期時間，返回加鎖成功。程式碼如下：

那麼這段程式碼問題在哪裡？

1、由于是客户端自己生成过期时间，所以需要强制要求分布式下每个客户端的时间必须同步。 

2、当锁过期的时候，如果多个客户端同时执行jedis.getSet()方法，那么虽然最终只有一个客户端可以加锁，但是这个客户端的锁的过期时间可能被其他客户端覆盖。

3、锁不具备拥有者标识，即任何客户端都可以解锁。

解锁代码

正确姿势

还是先展示代码，再带大家慢慢解释为什么这样实现：

public class RedisTool {

    private static final Long RELEASE_SUCCESS = 1L;

    /**
     * 释放分布式锁
     * @param jedis Redis客户端
     * @param lockKey 锁
     * @param requestId 请求标识
     * @return 是否释放成功
     */
    public static boolean releaseDistributedLock(Jedis jedis, String lockKey, String requestId) {

        String script = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
        Object result = jedis.eval(script, Collections.singletonList(lockKey), Collections.singletonList(requestId));

        if (RELEASE_SUCCESS.equals(result)) {
            return true;
        }
        return false;

    }

}

可以看到，我们解锁只需要两行代码就搞定了！第一行代码，我们写了一个简单的Lua脚本代码，上一次见到这个编程语言还是在《黑客与画家》里，没想到这次居然用上了。第二行代码，我们将Lua代码传到jedis.eval()方法里，并使参数KEYS[1]赋值为lockKey，ARGV[1]赋值为requestId。eval()方法是将Lua代码交给Redis服务端执行。

那么这段Lua代码的功能是什么呢？其实很简单，首先获取锁对应的value值，检查是否与requestId相等，如果相等则删除锁（解锁）。那么为什么要使用Lua语言来实现呢？因为要确保上述操作是原子性的。关于非原子性会带来什么问题，可以阅读【解锁代码-错误示例2】 。

那么为什么执行eval()方法可以确保原子性，源于Redis的特性，下面是官网对eval命令的部分解释：

简单来说，就是在eval命令执行Lua代码的时候，Lua代码将被当成一个命令去执行，并且直到eval命令执行完成，Redis才会执行其他命令。

错误示例1

最常见的解锁代码就是直接使用jedis.del()方法删除锁，这种不先判断锁的拥有者而直接解锁的方式，会导致任何客户端都可以随时进行解锁，即使这把锁不是它的。

public static void wrongReleaseLock1(Jedis jedis, String lockKey) {
    jedis.del(lockKey);
}

错误示例2

这种解锁代码乍一看也是没问题，甚至我之前也差点这样实现，与正确姿势差不多，唯一区别的是分成两条命令去执行，代码如下：

public static void wrongReleaseLock2(Jedis jedis, String lockKey, String requestId) {
        
    // 判断加锁与解锁是不是同一个客户端
    if (requestId.equals(jedis.get(lockKey))) {
        // 若在此时，这把锁突然不是这个客户端的，则会误解锁
        jedis.del(lockKey);
    }

}

如代码注释，问题在于如果调用jedis.del()方法的时候，这把锁已经不属于当前客户端的时候会解除他人加的锁。那么是否真的有这种场景？答案是肯定的，比如客户端A加锁，一段时间之后客户端A解锁，在执行jedis.del()之前，锁突然过期了，此时客户端B尝试加锁成功，然后客户端A再执行del()方法，则将客户端B的锁给解除了。

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