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Redis 分散式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案

Java后端技术全栈
Java后端技术全栈轉載
2023-08-23 14:54:26653瀏覽

本篇主要內容如下：

Redis 分散式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案

一、本機鎖定的問題

#首先我們來回顧下本地鎖定的問題：

目前題目微服務被拆分成了四個微服務。前端請求進來時，會被轉送到不同的微服務。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，假如快取失效了，每個微服務在存取資料庫時加鎖，透過鎖（synchronzied 或lock ）來鎖住自己的執行緒資源，從而防止快取擊穿。

這是一種本地加鎖的方式，在分散式情況下會帶來資料不一致的問題：例如服務A 取得資料後，更新緩存key =100，服務B 不受服務A 的鎖定限制，並發去更新快取key = 99，最後的結果可能是99 或100，但這是未知的狀態，與期望結果不一致 。流程圖如下：

Redis 分散式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案

二、什麼是分散式鎖定

基於上面本地鎖定的問題，我們需要一個支援分散式叢集環境下的鎖定：查詢DB 時，只有一個執行緒可以訪問，其他執行緒都需要等待第一個執行緒釋放鎖定資源後，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定，所有並發線程比作人，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。

Redis 分散式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案

我們來看下分散式鎖定的基本原理，如下圖所示：

Redis 分散式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案

我們來分析下上圖的分散式鎖定：

  • 1.前端將 10W 的高並發請求轉送給四個題目微服務。
  • 2.每個微服務處理 2.5 W 個請求。
  • 3.每個處理請求的執行緒在執行業務之前，需要先搶佔鎖定。可以理解為「佔坑」。
  • 4.取得到鎖定的執行緒在執行完業務後，釋放鎖定。可以理解為「釋放坑位」。
  • 5.未取得的執行緒需要等待鎖定釋放。
  • 6.釋放鎖定後，其他執行緒搶佔鎖定。
  • 7.重複步驟 4、5、6。

大白話解釋：所有請求的線程都去同一個地方「佔坑」，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”。這個坑位是所有執行緒可見的，可以把這個坑位放到 Redis 快取或資料庫，這篇講的就是如何用 Redis 做「分散式坑位」。

三、Redis 的 SETNX

Redis 作為一個公共可訪問的地方，剛好可以作為「佔坑」的地方。

用 Redis 實作分散式鎖定的幾個方案，我們都是用 SETNX 指令（設定 key 等於某 value）。只是高階方案傳的參數個數不一樣，也考慮了異常情況。

我們來看這個指令，SETNX是set If not exist的簡寫。意思是當 key 不存在時，設定 key 的值，存在時，什麼都不做。

在 Redis 命令列中是這樣執行的：

set <key> <value> NX

我們可以轉到 redis 容器中來試下 SETNX 命令。

先進入容器：

docker exec -it <容器 id> redis-cli

然后执行 SETNX 命令：将 wukong 这个 key 对应的 value 设置成 1111。

set wukong 1111 NX

返回 OK，表示设置成功。重复执行该命令，返回 nil表示设置失败。

Redis 分散式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案

四、青铜方案

我们先用 Redis 的 SETNX 命令来实现最简单的分布式锁。

3.1 青铜原理

我们来看下流程图：

Redis 分散式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案
  • 多个并发线程都去 Redis 中申请锁，也就是执行 setnx 命令，假设线程 A 执行成功，说明当前线程 A 获得了。
  • 其他线程执行 setnx 命令都会是失败的，所以需要等待线程 A 释放锁。
  • 线程 A 执行完自己的业务后，删除锁。
  • 其他线程继续抢占锁，也就是执行 setnx 命令。因为线程 A 已经删除了锁，所以又有其他线程可以抢占到锁了。

代码示例如下，Java 中 setnx 命令对应的代码为 setIfAbsent。

setIfAbsent 方法的第一个参数代表 key，第二个参数代表值。

// 1.先抢占锁
Boolean lock = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock", "123");
if(lock) {
  // 2.抢占成功，执行业务
  List<TypeEntity> typeEntityListFromDb = getDataFromDB();
  // 3.解锁
  redisTemplate.delete("lock");
  return typeEntityListFromDb;
} else {
  // 4.休眠一段时间
  sleep(100);
  // 5.抢占失败，等待锁释放
  return getTypeEntityListByRedisDistributedLock();
}

一个小问题：那为什么需要休眠一段时间？

因为该程序存在递归调用，可能会导致栈空间溢出。

3.2 青銅方案的缺陷

#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。

Redis 分散式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案

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

那要如何規避這個風險呢？

設定鎖的自動過期時間，過一段時間後，自動刪除鎖，這樣其他執行緒就能取得到鎖了。

四、白銀方案

4.1 生活中的例子

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。

Redis 分散式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案

還是生活中的例子：小空開鎖成功後，給這款智慧鎖設定了一個沙漏倒數⏳，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。

4.2 技術原理圖

和青銅方案不同的地方在於，在佔鎖成功後，設定鎖的過期時間，這兩步是逐步執行的。如下圖所示：

Redis 分散式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案

4.3 示例代码

清理 redis key 的代码如下

// 在 10s 以后，自动清理 lock
redisTemplate.expire("lock", 10, TimeUnit.SECONDS);

完整代码如下：

// 1.先抢占锁
Boolean lock = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock", "123");
if(lock) {
    // 2.在 10s 以后，自动清理 lock
    redisTemplate.expire("lock", 10, TimeUnit.SECONDS);
    // 3.抢占成功，执行业务
    List<TypeEntity> typeEntityListFromDb = getDataFromDB();
    // 4.解锁
    redisTemplate.delete("lock");
    return typeEntityListFromDb;
}

4.4 白银方案的缺陷

白银方案看似解决了线程异常或服务器宕机造成的锁未释放的问题，但还是存在其他问题：

因为占锁和设置过期时间是分两步执行的，所以如果在这两步之间发生了异常，则锁的过期时间根本就没有设置成功。

所以和青铜方案有一样的问题：锁永远不能过期。

五、黄金方案

5.1 原子指令

上面的白银方案中，占锁和设置锁过期时间是分步两步执行的，这个时候，我们可以联想到什么：事务的原子性（Atom）。

原子性：多条命令要么都成功执行，要么都不执行。

将两步放在一步中执行：占锁+设置锁过期时间。

Redis 正好支持这种操作：

# 设置某个 key 的值并设置多少毫秒或秒 过期。
set <key> <value> PX <多少毫秒> NX
或
set <key> <value> EX <多少秒> NX

然后可以通过如下命令查看 key 的变化

ttl <key>

下面演示下如何设置 key 并设置过期时间。注意：执行命令之前需要先删除 key，可以通过客户端或命令删除。

# 设置 key=wukong，value=1111，过期时间=5000ms
set wukong 1111 PX 5000 NX
# 查看 key 的状态
ttl wukong

执行结果如下图所示：每运行一次 ttl 命令，就可以看到 wukong 的过期时间就会减少。最后会变为 -2（已过期）。

Redis 分散式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案

5.2 技术原理图

黄金方案和白银方案的不同之处：获取锁的时候，也需要设置锁的过期时间，这是一个原子操作，要么都成功执行，要么都不执行。如下图所示：

Redis 分散式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案

5.3 示例代码

设置 lock 的值等于 123，过期时间为 10 秒。如果 10 秒 以后，lock 还存在，则清理 lock。

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

5.4 黄金方案的缺陷

我们还是举生活中的例子来看下黄金方案的缺陷。

5.4.1 用戶A 搶佔鎖

Redis 分散式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案
  • #用戶A 先搶佔了鎖，並設定了這個鎖10 秒以後自動開鎖，鎖的編號為123。
  • 10 秒以後，A 還在執行任務，此時鎖定被自動開啟了。

5.4.2 用戶B 搶佔鎖定

Redis 分散式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案
  • #用戶B 看到房間的鎖打開了，於是搶佔到了鎖，設定鎖的編號為123，並設定了過期時間10 秒。
  • 因為房間內只允許一個使用者執行任務，所以使用者 A 和 使用者 B 執行任務產生了衝突。
  • 用戶 A 在 15 s 後，完成了任務，此時 使用者 B 還在執行任務。
  • 使用者 A 主動開啟了編號為 123的鎖定。
  • 用戶 B 還在執行任務，發現鎖定已經被打開了。
  • 用戶 B 非常生氣：我還沒執行完任務呢，鎖怎麼開了？

5.4.3 用戶C 搶佔鎖定

Redis 分散式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案
  • 用戶B 的鎖被A 主動打開後，A 離開房間，B 還在執行任務。
  • 用戶 C 搶占到鎖，C 開始執行任務。
  • 因為房間內只允許一個使用者執行任務，所以使用者 B 和 使用者 C 執行任務產生了衝突。

從上面的案例中我們可以知道，因為使用者A 處理任務所需的時間大於鎖定自動清理（開鎖）的時間，所以在自動開鎖後，又有其他用戶搶佔了鎖。當使用者 A 完成任務後，會把其他使用者搶佔的鎖主動開啟。

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。

六、鉑金方案

6.1 生活中的例子

上面的黃金方案的缺陷也很好解決，給每個鎖設定不同的編號不就好了～

如下圖所示，B 搶佔的鎖是藍色的，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：

Redis 分散式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案
動圖示範

靜態圖更高清，可以看看：

Redis 分散式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案

6.2 技術原理圖

#與黃金方案的差異：

  • 设置锁的过期时间时，还需要设置唯一编号。
  • 主动删除锁的时候，需要判断锁的编号是否和设置的一致，如果一致，则认为是自己设置的锁，可以进行主动删除。
Redis 分散式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案

6.3 代码示例

// 1.生成唯一 id
String uuid = UUID.randomUUID().toString();
// 2. 抢占锁
Boolean lock = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock", uuid, 10, TimeUnit.SECONDS);
if(lock) {
    System.out.println("抢占成功：" + uuid);
    // 3.抢占成功，执行业务
    List<TypeEntity> typeEntityListFromDb = getDataFromDB();
    // 4.获取当前锁的值
    String lockValue = redisTemplate.opsForValue().get("lock");
    // 5.如果锁的值和设置的值相等，则清理自己的锁
    if(uuid.equals(lockValue)) {
        System.out.println("清理锁：" + lockValue);
        redisTemplate.delete("lock");
    }
    return typeEntityListFromDb;
} else {
    System.out.println("抢占失败，等待锁释放");
    // 4.休眠一段时间
    sleep(100);
    // 5.抢占失败，等待锁释放
    return getTypeEntityListByRedisDistributedLock();
}
  • 1.生成随机唯一 id，给锁加上唯一值。
  • 2.抢占锁，并设置过期时间为 10 s，且锁具有随机唯一 id。
  • 3.抢占成功，执行业务。
  • 4.执行完业务后，获取当前锁的值。
  • 5.如果锁的值和设置的值相等，则清理自己的锁。

6.4 铂金方案的缺陷

上面的方案看似很完美，但还是存在问题：第 4 步和第 5 步并不是原子性的。

Redis 分散式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案

  • 时刻：0s。线程 A 抢占到了锁。

  • 时刻：9.5s。线程 A 向 Redis 查询当前 key 的值。

  • 时刻：10s。锁自动过期。

  • 时刻：11s。线程 B 抢占到锁。

  • 时刻：12s。线程 A 在查询途中耗时长，终于拿多锁的值。

  • 时刻：13s。线程 A 还是拿自己设置的锁的值和返回的值进行比较，值是相等的，清理锁，但是这个锁其实是线程 B 抢占的锁。

那如何规避这个风险呢？钻石方案登场。

七、钻石方案

上面的线程 A 查询锁和删除锁的逻辑不是原子性的，所以将查询锁和删除锁这两步作为原子指令操作就可以了。

7.1 技术原理图

如下图所示，红色圈出来的部分是钻石方案的不同之处。用脚本进行删除，达到原子操作。

Redis 分散式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案

7.2 代码示例

那如何用脚本进行删除呢？

我们先来看一下这段 Redis 专属脚本：

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

这段脚本和铂金方案的获取key，删除key的方式很像。先获取 KEYS[1] 的 value，判断 KEYS[1] 的 value 是否和 ARGV[1] 的值相等，如果相等，则删除 KEYS[1]。

那么这段脚本怎么在 Java 项目中执行呢？

分两步：先定义脚本；用 redisTemplate.execute 方法执行脚本。

// 脚本解锁
String script = "if redis.call(&#39;get&#39;,KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call(&#39;del&#39;,KEYS[1]) else return 0 end";
redisTemplate.execute(new DefaultRedisScript<Long>(script, Long.class), Arrays.asList("lock"), uuid);

上面的代码中，KEYS[1] 对应“lock”，ARGV[1] 对应 “uuid”，含义就是如果 lock 的 value 等于 uuid 则删除 lock。

而这段 Redis 脚本是由 Redis 内嵌的 Lua 环境执行的，所以又称作 Lua 脚本。

那钻石方案是不是就完美了呢？有没有更好的方案呢？

下篇，我们再来介绍另外一种分布式锁的王者方案：Redisson。

八、總結

本篇透過本地鎖定的問題引申出分散式鎖定的問題。接著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。

以下總結下上面五種方案的缺陷和改進之處。

青銅方案：

  • 缺陷：業務程式碼出現例外或伺服器當機，沒有執行主動刪除鎖的邏輯，就造成了死鎖。
  • 改進：設定鎖的自動過期時間，過一段時間後，自動刪除鎖，這樣其他執行緒就能取得到鎖了。

白銀方案：

  • #缺陷：佔鎖和設定鎖定過期時間是逐步兩步驟執行的，不是原子操作。
  • 改進：佔鎖和設定鎖定過期時間保證原子操作。

黃金方案：

  • #缺陷：主動刪除鎖定時，因鎖的值都是相同的，將其他客戶端佔用的鎖刪除了。
  • 改進：每次佔用的鎖，隨機設為較大的值，主動刪除鎖定時，比較鎖的值和自己設定的值是否相等。

鉑金方案：

  • #缺陷：取得鎖定、比較鎖定的值、刪除鎖定，這三步驟是非原子性的。中途又可能鎖自動過期了，又被其他客戶端搶佔了鎖，導致刪鎖時把其他客戶端佔用的鎖刪了。
  • 改進：使用 Lua 腳本進行取得鎖定、比較鎖定、刪除鎖定的原子操作。

鑽石方案：

  • 缺陷：非專業的分散式鎖定方案。
  • 改進：Redission 分散式鎖定。

王者方案，下篇見～

以上是Redis 分散式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！

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