什么是分布式锁

冷不防 2022-12-22 00:58 163阅读 0赞

# 引入 #

> 问： 多线程并发的时候，如何实现对共享资源安全的访问

答：通过锁来实现

> 问：单机多进程多线程的时候，如何实现对共享资源安全的访问

答：通过共享内存、管道等实现

> 问： 多机多进程的时候，如何实现对共享资源安全的访问

答：通过分布式锁

这里我通过`redis`实现分布式锁

# 如何用redis实现分布式锁 #

先来了解分布式锁实现的三个核心要素

1.  加锁

最简单的方法是使用`setnx`命令。`key`是锁的唯一标识，按照业务来决定命名。比如想要给一种商品的秒杀活动加锁，可以给key命名为`lock_sale_商品ID`。而value设置成什么呢？ 我们可以姑且设置成1。加锁的伪代码如下：

setnx(key, 1)

当一个线程执行`setnx`返回1，说明`key`原本不存在，该线程成功得到了锁；当一个线程执行`setnx`返回0，说明`key`原本已经存在，该线程抢锁失败

1.  解锁

当得到锁的线程执行完任务，需要释放锁，以便其他线程可以进入。释放锁的最简单方式是执行`del指令`，伪代码如下：

del(key)

释放锁之后，其他线程就可以继续执行`setnx`命令来获取锁

1.  锁超时

如果一个得到锁的线程在执行任务的过程中挂掉，来不及显示的释放锁，这块资源就会被永久的锁住，别的线程再也别想进来。

所以，`setnx`的key必须设置一个超时时间，以保证即使没有被显式释放，这把锁也要在一定时间后自动释放。setnx不支持超时参数，所以需要额外的指令，伪代码如下：

expire（key， 30）

综合起来，如下：

if（setnx（key，1） == 1）{
        
    	expire（key，30）
    	try {
        
    		do something ......
    	} finally {
        
    		del（key）
    	}
    }

但是，以上伪代码存在三个致命问题

1.  setnx与`expire`的非原子性

设想一个极端场景，当某线程执行`setnx`，成功的得到了锁

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
`setnx`刚执行成功，还没有来得及执行`expire`指令，节点1挂掉了

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
这样一来，这把锁就没有设置过期时间，变成死锁，别的线程再也无法获得锁了。

`Redis`的`setnx`命令是当`key`不存在时设置`key`，但`setnx`不能同时完成`expire`设置失效时长，不能保证`setnx`和`expire`的原子性。我们可以使用`set`命令完成`setnx`和`expire`的操作，并且这种操作是原子操作。  
下面是set命令的可选项：

set key value [EX seconds] [PX milliseconds] [NX|XX]
    EX seconds：设置失效时长，单位秒
    PX milliseconds：设置失效时长，单位毫秒
    NX：key不存在时设置value，成功返回OK，失败返回(nil)
    XX：key存在时设置value，成功返回OK，失败返回(nil)
    
    案例：设置name=p7+，失效时长100s，不存在时设置
    1.1.1.1:6379> set name p7+ ex 100 nx
    OK
    1.1.1.1:6379> get name
    "p7+"
    1.1.1.1:6379> ttl name
    (integer) 94

这样就可以取代setnx指令。

1.  **del导致误删**

又是一个极端场景，假如某线程成功得到了锁，并且设置的超时时间是30秒。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]  
如果某些原因导致线程 A 执行的很慢很慢，过了 30 秒都没执行完，这时候锁过期自动释放，线程 B 得到了锁。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]  
随后，线程 A 执行完了任务，线程 A 接着执行 `del`指令来释放锁。但这时候线程 B 还没执行完，线程A实际上 删除的是线程 B 加的锁。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]  
怎么避免这种情况呢？可以在 del 释放锁之前做一个判断，验证当前的锁是不是自己加的锁。至于具体的实现，可以在加锁的时候把当前的线程 ID 当做 value，并在删除之前验证 key 对应的 value 是不是自己线程的 ID。

加锁

String threadId = Thread.currentThread().getId()
    set（key，threadId ，30，NX）

解锁：

if（threadId .equals(redisClient.get(key))）{
        
        del(key)
    }

但是，这样做又隐含了一个新的问题，判断和释放锁是两个独立操作，不是原子性。

解决方法： **判断和删除锁是用Lua脚本实现**

String luaScript = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then returnredis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
    redisClient.eval(lua , Collections.singletonList(key), Collections.singletonList(threadId));

1.  出现并发的可能性

还是刚才第二点所描述的场景，虽然我们避免了线程 A 误删掉 key 的情况，但是同一时间有 A，B 两个线程在访问代码块，仍然是不完美的。怎么办呢？我们可以让获得锁的线程开启一个守护线程，用来给快要过期的锁“续航”。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]  
当过去了 29 秒，线程 A 还没执行完，这时候守护线程会执行 expire 指令，为这把锁“续命”20 秒。守护线程从第 29 秒开始执行，每 20 秒执行一次。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]  
当线程 A 执行完任务，会显式关掉守护线程。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]  
另一种情况，如果节点 1 忽然断电，由于线程 A 和守护线程在同一个进程，守护线程也会停下。这把锁到了超时的时候，没人给它续命，也就自动释放了。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]

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