Redis实现分布式锁

分布式锁的实现方式有很多，本篇文章讲述一下使用Redis实现分布式锁。网上有很多使用Redis实现分布式锁的代码，但是这些代码或多或少都有问题。这篇文章会写一个实现，同时标明一些注意点。

场景

为了便于阐述，这里假设一个游戏场景，用户A有开山斧一把，价值500元宝，用户B有800元宝，想买A的开山斧，这些数据都存在Redis中。需要编写代码成功的实现该笔交易。

问题

Redis实现分布式锁，需要考虑如下问题：

  • 持有锁的进程因为操作时间过长而导致锁被自动释放，但进程本身并不知晓这一点，甚至还可能会错误地释放掉了其他进程持有的锁。
  • 一个持有锁并打算执行长时间操作的进程已经崩溃，但其他想要获取锁的进程不知道哪个进程持有着锁，也无法检测出持有锁的进程已经崩溃，只能白白地浪费时间等待锁被释放。
  • 在一个进程持有的锁过期之后，其他多个进程同时尝试去获取锁，并且都获得了锁。

三个特性

实现一个最低保障的分布式锁，需要具备三个特性

  1. 安全属性（Safety property）: 独享（相互排斥）。在任意一个时刻，只有一个客户端持有锁。
  2. 活性A(Liveness property A): 无死锁。即便持有锁的客户端崩溃（crashed)或者网络被分裂（gets partitioned)，锁仍然可以被获取。
  3. 活性B(Liveness property B): 容错。 只要大部分Redis节点都活着，客户端就可以获取和释放锁.

命令

使用Redis实现分布式锁，一般使用SETNX或者SET命令，SETNX不能同时设置过期时间，如果使用的版本大于等于2.6.12，可以使用SET命令，可以使用这个命令原子性的实现SETNX和EXPIRE的功能，下面是两个命令的简介

SETNX

命令格式：SETNX key value

时间复杂度：O(1)

说明：将key设置值为value，如果key不存在，这种情况下等同SET命令。 当key存在时，什么也不做。SETNX是”SET if Not eXists”的简写。

返回值

  • 1 如果key被设置了
  • 0 如果key没有被设置

SET

命令格式：SET key value [EX seconds] [PX milliseconds] [NX|XX]

时间复杂度：O(1)

说明：将键key设定为指定的“字符串”值。如果 key 已经保存了一个值，那么这个操作会直接覆盖原来的值，并且忽略原始类型。当set命令执行成功之后，之前设置的过期时间都将失效。

选项

从2.6.12版本开始，redis为SET命令增加了一系列选项:

  • EX seconds – 设置键key的过期时间，单位时秒
  • PX milliseconds – 设置键key的过期时间，单位是毫秒
  • NX – 只有键key不存在的时候才会设置key的值
  • XX – 只有键key存在的时候才会设置key的值

实现

此处使用SETNX实现，毕竟有的公司Redis版本可能较低，使用SETNX可以实现，SET更加没有问题。

代码如下：

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<?php

function uuid($prefix = '')
{
    $chars = md5(uniqid(mt_rand(), true));
    $uuid  = substr($chars, 0, 8) . '-';
    $uuid .= substr($chars, 8, 4) . '-';
    $uuid .= substr($chars, 12, 4) . '-';
    $uuid .= substr($chars, 16, 4) . '-';
    $uuid .= substr($chars, 20, 12);
    $ret = $prefix . $uuid;
    return strtoupper($ret);
}

function acquireLock($redis,$lockName, $acquireTime = 10, $lockTime = 10)
{
    $lockKey    = 'lock:' + $lockName;
    $identifier = uuid('identify');
    $end        = time() + $acquireTime;
    while (time() < $end) {
        if ($redis->setnx($lockKey, $identifier)) {
            $redis->expire($lockKey, $lockTime);
            return $identifier;
        } elseif ($redis->ttl($lockKey) == -1) {
            $redis->expire($lockKey, $lockTime);
        }
        usleep(1000);
    }
    return false;
}


function process(){
    $redis      = new Redis();
    $lockName = 'market';
    //1.获取锁
    $locked = acquireLock($redis,$lockName);
    if($locked === false){
        return false;
    }
    //2.进行交易
    //判断A和B是否满足交易条件
    //使用管道，对A和B进行操作

    //3.释放锁
    $releaseRes = releaseLock($redis,$lockName,$locked);
    if($releaseRes === false){
        return false;
    }
}

function releaseLock($redis,$lockName,$identifier){
    $lockKey    = 'lock:' + $lockName;
    $redis->watch($lockKey);
    if($redis->get($lockKey) === $identifier){
        $redis->multi();
        $redis->del($lockKey);
        $redis->exec();
        return true;
    }
    $redis->unwatch();
    return false;
}

说明：

  1. 获取锁：
    • 创建唯一的$identifier，这个值用于删除key的时候，判断是否为当前客户端获取的锁，以免删除其它客户端的锁
    • while循环用于在一段时间内不停的获取锁
    • 如果能够获取锁便获取，同时设置超时时间，防止线程运行时崩溃，锁永远无法释放
    • 如果没能成功获取到锁，检查当前锁的过期时间，如果未设置过期时间，进行设置，防止其他线程获得锁后立即崩溃，没有设置过期时间
  2. 处理业务
    • 需要先判断交易双方是否都满足条件，因为锁定的是整个市场，所以一旦获得锁，交易双方的状态都不会再进行改变
    • 使用管道能保证整个交易能像事务一样被处理，而且性能会比用redis的事务更好
  3. 释放锁
    • 使用watch监控锁，一旦key被变更，删除key的事务不会被执行
    • 需要判断key的值是否和本线程记录的$identifier一样，只有一致才能进行删除
    • 使用事务来做删除key的操作，使用事务的原因是防止中途该锁被别的线程获取
    • 如果失败，记得unwatch
  4. 其他问题
    • 可重入问题：可重入指的是，线程可以再次获取到锁。实现方法比较简单，只需要在acquireLock的时候，传入identifier，判断当前锁的​identifier和传入的是否一致，如果一致则可以进行操作
    • 线程未执行完毕，锁的超时时间已过，其他线程获取到锁：解决该问题的一个方案是，当获取到锁后，在超时时间经过一半的时候检查锁是否存在或者被修改，如果没有变化且线程正常运行，则延长超时时间

思考

如果基于Redis单实例，假设这个单实例总是可用，这种方法已经足够安全。

但有两种特殊情况大家需要关注一下：

主从结构中存在明显的竞态:

  1. 客户端A从master获取到锁
  2. 在master将锁同步到slave之前，master宕掉了。
  3. slave节点被晋级为master节点
  4. 客户端B取得了同一个资源被客户端A已经获取到的另外一个锁。安全失效！

在Redis的分布式环境中，有N个Redis master

这种情况可以使用Redlock算法

总结

本文讲述了怎样用Redis实现分布式锁，并写了具体实现和相关的分析。要用Redis实现分布式锁，有很多细节需要思考，大家可以根据自己的业务形态设计符合自己要求的锁，在复杂度和安全性上做好折中。

资料

  1. https://www.jianshu.com/p/bb8c6c3113dd
  2. http://redis.cn/topics/distlock.html
  3. http://redis.cn/commands/set.html

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