Redlock之分布式锁实现原理

快来打我* 2023-01-16 02:46 106阅读 0赞

### 前景回顾        ###

上篇文章[Redis之分布式锁实现原理][Redis]简述了通过SET key\_name my\_random\_value NX PX 30000（NX：if not exist -> True，否则 -> False；PX 表示过期时间用毫秒级）方式实现的redis分布锁以及redisson锁。

但是文末也提出这种实现方式也是存在问题的：redis这种方式的锁只作用在一个Redis节点上，即使Redis通过sentinel保证高可用，如果这个master节点由于某些原因(网络波动、宕机)发生了主从切换，那么就会出现锁丢失的情况。在Redis的master节点上拿到了锁，但是这个加锁的key还没有同步到slave节点，master节点发生故障转移，slave节点升级为master节点，这样在之前master节点上获取的锁就会。这个问题redisson也不能避免，由此 redis官方推荐 redlock 来解决这个问题。官网文档地址如下：[https://redis.io/topics/distlock][https_redis.io_topics_distlock]。在聊redlock之前需要理解两个定义：

*  TTL：Time To Live;指 redis key 的过期时间或有效生存时间；
 *  clock drift：时钟漂移，指两台服务器间时间流速基本相同的情况下，两台服务器（或两个进程间）时间的差值，如果服务器之间的距离过远会造成时钟漂移值过大；

### RedLock算法概述 ###

Redlock算法是Antirez在单Redis节点基础上引入的高可用模式。在Redis的分布式环境中，我们假设有N个完全互相独立的Redis节点，在N个Redis实例上使用与在Redis单实例下相同方法获取锁和释放锁。现在假设有5个Redis主节点(大于3的奇数个)，这样基本保证他们不会同时都宕掉，获取锁和释放锁的过程中，客户端会执行以下操作:

1.  获取当前Unix时间，以毫秒为单位；
2.  client尝试按照顺序使用相同的key,value获取所有redis服务的锁，当向Redis请求获取锁时，客户端应该设置一个网络连接和响应超时时间，这个超时时间应该小于锁的失效时间，这样可以避免客户端死等，并且试着获取下一个redis实例。比如：TTL为5s,设置获取锁最多用1s，所以如果一秒内无法获取锁，就放弃获取这个锁，从而尝试获取下个锁；
3.  客户端使用当前时间减去开始获取锁时间就得到获取锁使用的时间。当且仅当从半数以上的Redis节点取到锁，并且使用的时间小于锁失效时间时，锁才算获取成功；
4.  如果取到了锁，key的真正有效时间等于有效时间减去获取锁所使用的时间，比如：TTL 是5s,获取所有锁用了2s,则真正锁有效时间为3s(其实应该再减去时钟漂移)；
5.  如果因为某些原因，获取锁失败（没有在半数以上实例取到锁或者取锁时间已经超过了有效时间），客户端应该在所有的Redis实例上进行解锁，无论Redis实例是否加锁成功，因为可能服务端响应消息丢失了但是实际成功了，毕竟多释放一次也不会有问题。

// 获取锁
    
    ##现在来分析下其中的lua脚本
    
    if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0)
    
    ##首先分布式锁的KEY不能存在，，
    
    then redis.call('hset', KEYS[1], ARGV[2], 1);
    
    ##如果确实不存在，那么执行hset命令（hset REDLOCK_KEY uuid+threadId 1）
    
    redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]);
    
    ##并通过pexpire设置失效时间（也是锁的租约时间）
    
    if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1)
    
    ##如果分布式锁的KEY已经存在，并且value也匹配，表示是当前线程持有的锁，
    
    then redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1);
    redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]);
    
    ##那么重入次数加1，并且设置失效时间
    
    return redis.call('pttl', KEYS[1])
    
    ##获取分布式锁的KEY的失效时间毫秒数
    
    
    // 释放锁
    
    if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0)
    then redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1])
    
    ##如果分布式锁KEY不存在，那么向channel发布一条消息
    
    if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[3]) == 0)
    then return nil
    
    ##如果分布式锁存在，但是value不匹配，表示锁已经被占用，那么直接返回
    
    local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[3], -1);
    
    ##如果就是当前线程占有分布式锁，那么将重入次数减1
    
    if (counter > 0) then redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]);
    
    ##重入次数减1后的值如果大于0，表示分布式锁有重入过，那么只设置失效时间，还不能删除
    
    return 0; else redis.call('del', KEYS[1]);
    redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]);
    
    ##重入次数减1后的值如果为0，表示分布式锁只获取过1次，那么删除这个KEY，并发布解锁消息

### RedLock性能及崩溃恢复的相关解决方法 ###

1.  如果redis没有持久化功能，在clientA获取锁成功后，所有redis重启，clientB能够再次获取到锁，这样违法了锁的排他互斥性；
2.  如果启动AOF持久化存储，情况会有所好转， 例如:当重启redis后，由于redis过期机制是按照unix时间戳走的，所以在重启后，然后会按照规定的时间过期，不影响业务;但是由于AOF同步到磁盘的方式默认是每秒-次，如果在一秒内断电，会导致数据丢失，立即重启会造成锁互斥性失效;但如果同步磁盘方式使用Always(每一个写命令都同步到硬盘)造成性能急剧下降;所以在锁完全有效性和性能方面要有所取舍；
3.  有效解决既保证锁完全有效性及性能高效及即使断电情况的方法是redis同步到磁盘方式保持默认的每秒，在redis无论因为什么原因停掉后要等待TTL时间后再重启(学名:延迟重启) ;缺点是 在TTL时间内服务相当于暂停状态；

RedLock使用注意事项：

*  TTL时长 要大于正常业务执行的时间+获取所有redis服务消耗时间+时钟漂移
 *  获取redis所有服务消耗时间要 远小于TTL时间，并且获取成功的锁个数要 在总数的一般以上:N/2+1
 *  尝试获取每个redis实例锁时的时间要 远小于TTL时间
 *  尝试获取所有锁失败后 重新尝试一定要有一定次数限制
 *  在redis崩溃后（无论一个还是所有），要延迟TTL时间重启redis
 *  在实现多redis节点时要结合单节点分布式锁算法 共同实现

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[Redis]: https://lghszz.blog.csdn.net/article/details/115858338
[https_redis.io_topics_distlock]: https://redis.io/topics/distlock
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