分布式锁 Redisson Redlock

青旅半醒 2023-09-28 21:00 8阅读 0赞

> 昨儿在前人写的代码里发现了 setnx+expire思路实现的分布式锁，但是真的大流量场景还是问题很大的。今天问了个架构师，说了很多，说了关于Redisson 、Redlock 、zookeeper重量锁 等等的。接下来就是把这些点全部了解清楚。

昨儿说道setnx+expire思路实现的分布式锁，问题就是 两个操作没有原子性，由于任务执行时间不一定导致超时解锁，出现了线程并发这种不允许的情形。对于不幂等的系统，并发是不允许的。

Redission 可以解决这个问题。架构师给我说，Redission有个看门狗机制，还有redission加锁解锁会带上client-id，还会续期等等的，解决之前说道的问题。

Redission 基于高性能异步无锁Java Redis客户端和[Netty][]框架。

![4e5e4415272dcf40b0659fb42153b0d1.jpeg][]

Redisson 锁的加锁机制如上图所示，**线程去获取锁，获取成功则执行lua脚本，保存数据到redis数据库**。**如果获取失败: 一直通过while循环尝试获取锁(可自定义等待时间，超时后返回失败)，获取成功后，执行lua脚本，保存数据到redis数据库**。**Redisson提供的分布式锁是支持锁自动续期的，也就是说，如果线程仍旧没有执行完，那么redisson会自动给redis中的目标key延长超时时间，这在Redisson中称之为 Watch Dog 机制**。同时 redisson 还有公平锁、读写锁的实现。

public void test() throws Exception{
            RLock lock = redissonClient.getLock("guodong");    // 拿锁失败时会不停的重试
            // 具有Watch Dog 自动延期机制 默认续30s 每隔30/3=10 秒续到30s
            lock.lock();
            // 尝试拿锁10s后停止重试,返回false 具有Watch Dog 自动延期机制 默认续30s
            boolean res1 = lock.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS); 
            // 没有Watch Dog ，10s后自动释放
            lock.lock(10, TimeUnit.SECONDS);
            // 尝试拿锁100s后停止重试,返回false 没有Watch Dog ，10s后自动释放
            boolean res2 = lock.tryLock(100, 10, TimeUnit.SECONDS);
            Thread.sleep(40000L);
            lock.unlock();
        }

**2.Wath Dog的自动延期机制**  
**如果拿到分布式锁的节点宕机，且这个锁正好处于锁住的状态时，会出现锁死的状态**，为了避免这种情况的发生，锁都会设置一个过期时间。这样也存在一个问题，加入一个线程拿到了锁设置了30s超时，在30s后这个线程还没有执行完毕，锁超时释放了，就会导致问题，**Redisson给出了自己的答案，就是 watch dog 自动延期机制。**  
Redisson提供了一个监控锁的看门狗，它的作用是在Redisson实例被关闭前，不断的延长锁的有效期，也就是说，如果一个拿到锁的线程一直没有完成逻辑，那么看门狗会帮助线程不断的延长锁超时时间，锁不会因为超时而被释放。  
**默认情况下，看门狗的续期时间是30s，也可以通过修改Config.lockWatchdogTimeout来另行指定**。另外Redisson 还提供了可以指定leaseTime参数的加锁方法来指定加锁的时间。超过这个时间后锁便自动解开了，不会延长锁的有效期。

**2.Wath Dog的自动延期机制**  
如果拿到分布式锁的节点宕机，且这个锁正好处于锁住的状态时，会出现锁死的状态，为了避免这种情况的发生，锁都会设置一个过期时间。这样也存在一个问题，加入一个线程拿到了锁设置了30s超时，在30s后这个线程还没有执行完毕，锁超时释放了，就会导致问题，Redisson给出了自己的答案，就是 watch dog 自动延期机制。  
Redisson提供了一个监控锁的看门狗，它的作用是在Redisson实例被关闭前，不断的延长锁的有效期，也就是说，如果一个拿到锁的线程一直没有完成逻辑，那么看门狗会帮助线程不断的延长锁超时时间，锁不会因为超时而被释放。  
默认情况下，看门狗的续期时间是30s，也可以通过修改Config.lockWatchdogTimeout来另行指定。另外Redisson 还提供了可以指定leaseTime参数的加锁方法来指定加锁的时间。超过这个时间后锁便自动解开了，不会延长锁的有效期。

#### 3.可重入加锁机制 ####

Redisson可以实现可重入加锁机制的原因，我觉得跟两点有关：

1、Redis存储锁的数据类型是 Hash类型
        2、Hash数据类型的key值包含了当前线程信息。

![2d5507565a677407fa274f42513d41db.jpeg][]

这里表面数据类型是Hash类型,Hash类型相当于我们java的 `<key,<key1,value>>` 类型,这里key是指 'redisson'

它的有效期还有9秒，我们再来看里们的key1值为 `078e44a3-5f95-4e24-b6aa-80684655a15a:45` 它的组成是:

guid + 当前线程的ID。后面的value是就和可重入加锁有关。

![59e50e7b79cc58628240306deecaa9c1.jpeg][]

上面这图的意思就是可重入锁的机制，它最大的优点就是相同线程不需要在等待锁，而是可以直接进行相应操作。

**4 Redis分布式锁的缺点**

**Redis分布式锁会有个缺陷，就是在Redis哨兵模式下:**

**`客户端1` 对某个 `master节点` 写入了redisson锁，此时会异步复制给对应的 slave节点。但是这个过程中一旦发生master节点宕机，主备切换，slave节点从变为了 master节点**。

**这时 `客户端2` 来尝试加锁的时候，在新的master节点上也能加锁，此时就会导致多个客户端对同一个分布式锁完成了加锁。**

**这时系统在业务语义上一定会出现问题， 导致各种脏数据的产生 。**

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> 同事说Redission这套方式也有问题，比如说 redis存在主从同步的带来的脏数据的问题，然后给我说道更新一代的架构是Redlock

**Redlock：全名叫做 Redis Distributed Lock;即使用redis实现的分布式锁；**

使用场景：多个服务间保证同一时刻同一时间段内同一用户只能有一个请求（防止关键业务出现并发攻击）；

这个锁的算法实现了多redis实例的情况，相对于单redis节点来说，优点在于 防止了 单节点故障造成整个服务停止运行的情况；并且在多节点中锁的设计，及多节点同时崩溃等各种意外情况有自己独特的设计方法；

此博客或者官方文档的相关概念：

**1.TTL：Time To Live; redis key 的过期时间或有效生存时间**

**2.clock drift:时钟漂移；指两个电脑间时间流速基本相同的情况下，两个电脑（或两个进程间）时间的差值；如果电脑距离过远会造成时钟漂移值 过大**

**最低保证分布式锁的有效性及安全性的要求如下：**

**1.互斥；任何时刻只能有一个client获取锁**

**2.释放死锁；即使锁定资源的服务崩溃或者分区，仍然能释放锁**

**3.容错性；只要多数redis节点（一半以上）在使用，client就可以获取和释放锁**

**网上讲的基于故障转移实现的redis主从无法真正实现Redlock:**

因为redis在进行主从复制时是异步完成的，比如在clientA获取锁后，主redis复制数据到从redis过程中崩溃了，导致没有复制到从redis中，然后从redis选举出一个升级为主redis,造成新的主redis没有clientA 设置的锁，这是clientB尝试获取锁，并且能够成功获取锁，**导致互斥失效**；

思考题：**这个失败的原因是因为从redis立刻升级为主redis，如果能够过TTL时间再升级为主redis（延迟升级）后，或者立刻升级为主redis但是过TTL的时间后再执行获取锁的任务，就能成功产生互斥效果；是不是这样就能实现基于redis主从的Redlock;**

**redis单实例中实现分布式锁的正确方式（原子性非常重要）:**

1.设置锁时，**使用set命令，因为其包含了setnx,expire的功能，起到了原子操作的效果，给key设置随机值，并且只有在key不存在时才设置成功返回True,并且设置key的过期时间（最好用毫秒）**

> **SET key\_name my\_random\_value NX PX 30000**  
> \# NX 表示if not exist 就设置并返回True，否则不设置并返回False PX 表示过期时间用毫秒级， 30000 表示这些毫秒时间后此key过期

2.在获取锁后，并完成相关业务后，需要删除自己设置的锁（必须是只能删除自己设置的锁，不能删除他人设置的锁）；

删除原因：保证服务器资源的高利用效率，不用等到锁自动过期才删除；

删除方法：**最好使用Lua脚本删除（redis保证执行此脚本时不执行其他操作，保证操作的原子性）**，代码如下；逻辑是 先获取key，如果存在并且值是自己设置的就删除此key;否则就跳过；

![3e5f39ae3478f3a44d3c355a9a36c10b.jpeg][]

**多节点redis实现的分布式锁算法(RedLock):有效防止单点故障**

**假设有5个完全独立的redis主服务器**

1.获取当前时间戳

2.client尝试按照顺序使用相同的key,value获取所有redis服务的锁，在获取锁的过程中的获取时间比锁过期时间短很多，这是为了不要过长时间等待已经关闭的redis服务。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.client通过获取所有能获取的锁后的时间减去第一步的时间，这个时间差要小于TTL时间并且至少有3个redis实例成功获取锁，才算真正的获取锁成功

4.如果成功获取锁，则锁的真正有效时间是 TTL减去第三步的时间差 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.如果客户端由于某些原因获取锁失败，便会开始解锁所有redis实例；因为可能已经获取了小于3个锁，必须释放，否则影响其他client获取锁

![e5cd5f90357c794c09b6bd01b5ccff33.jpeg][]

**RedLock算法是否是异步算法？？**

可以看成是同步算法；因为 即使进程间（多个电脑间）没有同步时钟，但是每个进程时间流速大致相同；并且时钟漂移相对于TTL叫小，可以忽略，所以可以看成同步算法；（不够严谨，算法上要算上时钟漂移，因为如果两个电脑在地球两端，则时钟漂移非常大）

**RedLock失败重试**

当client不能获取锁时，应该在随机时间后重试获取锁；并且最好在同一时刻并发的把set命令发送给所有redis实例；而且对于已经获取锁的client在完成任务后要及时释放锁，这是为了节省时间；

**RedLock释放锁**

由于释放锁时会判断这个锁的value是不是自己设置的，如果是才删除；所以在释放锁时非常简单，只要向所有实例都发出释放锁的命令，不用考虑能否成功释放锁；

**RedLock注意点（Safety arguments）:**

1.先假设client获取所有实例，所有实例包含相同的key和过期时间(TTL) ,但每个实例set命令时间不同导致不能同时过期，第一个set命令之前是T1,最后一个set命令后为T2,则此client有效获取锁的最小时间为TTL-(T2-T1)-时钟漂移;

2.对于以N/2+ 1(也就是一半以 上)的方式判断获取锁成功，是因为如果小于一半判断为成功的话，有可能出现多个client都成功获取锁的情况， 从而使锁失效

3.一个client锁定大多数事例耗费的时间大于或接近锁的过期时间，就认为锁无效，并且解锁这个redis实例(不执行业务) ;只要在TTL时间内成功获取一半以上的锁便是有效锁;否则无效

**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永久化存储，事情会好些， 举例:当我们重启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;

[redisson中的看门狗机制总结 - 郭慕荣 - 博客园][redisson_ - _ -]

[Redlock（redis分布式锁）原理分析 - RGC - 博客园][Redlock_redis_ - RGC -]

来源：[分布式锁 Redisson Redlock - 知乎][Redisson Redlock -]

[Netty]: https://link.zhihu.com/?target=http%3A//netty.io/
[4e5e4415272dcf40b0659fb42153b0d1.jpeg]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/4e5e4415272dcf40b0659fb42153b0d1.jpeg
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[redisson_ - _ -]: https://link.zhihu.com/?target=https%3A//www.cnblogs.com/jelly12345/p/14699492.html
[Redlock_redis_ - RGC -]: https://link.zhihu.com/?target=https%3A//www.cnblogs.com/rgcLOVEyaya/p/RGC_LOVE_YAYA_1003days.html
[Redisson Redlock -]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/440865954