什么是分布式鎖 Redis的五種分布式鎖方案

本地加鎖的方式在分布式的場景下不適用，所以本文我們來探討下如何引入分布式鎖解決本地鎖的問題。本篇所有代碼和業務基于我的開源項目 PassJava。

本篇主要內容如下：

一、本地鎖的問題

首先我們來回顧下本地鎖的問題：

目前題目微服務被拆分成了四個微服務。前端請求進來時，會被轉發到不同的微服務。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，假如緩存失效了，每個微服務在訪問數據庫時加鎖，通過鎖（synchronzied 或 lock）來鎖住自己的線程資源，從而防止緩存擊穿。

這是一種本地加鎖的方式，在分布式情況下會帶來數據不一致的問題：比如服務 A 獲取數據后，更新緩存 key =100，服務 B 不受服務 A 的鎖限制，并發去更新緩存 key = 99，最后的結果可能是 99 或 100，但這是一種未知的狀態，與期望結果不一致 。流程圖如下所示：

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二、什么是分布式鎖

基于上面本地鎖的問題，我們需要一種支持分布式集群環境 下的鎖：查詢 DB 時，只有一個線程能訪問，其他線程都需要等待第一個線程釋放鎖資源后，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，所有并發線程比作人，他們都想進入房間，房間內只能有一個人進入。當有人進入后，將門反鎖，其他人必須等待，直到進去的人出來。

我們來看下分布式鎖的基本原理，如下圖所示：

我們來分析下上圖的分布式鎖：

1.前端將 10W 的高并發請求轉發給四個題目微服務。

2.每個微服務處理 2.5 W 個請求。

3.每個處理請求的線程在執行業務之前，需要先搶占鎖。可以理解為“占坑”。

4.獲取到鎖的線程在執行完業務后，釋放鎖。可以理解為“釋放坑位”。

5.未獲取到的線程需要等待鎖釋放。

6.釋放鎖后，其他線程搶占鎖。

7.重復執行步驟 4、5、6。

大白話解釋：所有請求的線程都去同一個地方“占坑”，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”。這個坑位是所有線程可見的，可以把這個坑位放到 Redis 緩存或者數據庫，這篇講的就是如何用 Redis 做“分布式坑位”。

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三、Redis 的 SETNX

Redis 作為一個公共可訪問的地方，正好可以作為“占坑”的地方。

用 Redis 實現分布式鎖的幾種方案，我們都是用 SETNX 命令（設置 key 等于某 value）。只是高階方案傳的參數個數不一樣，以及考慮了異常情況。

我們來看下這個命令，SETNX是set If not exist的簡寫。意思就是當 key 不存在時，設置 key 的值，存在時，什么都不做。

在 Redis 命令行中是這樣執行的：

set???NX

我們可以進到 redis 容器中來試下 SETNX 命令。

先進入容器：

docker?exec?-it?<容器?id>?redid-cli

然后執行 SETNX 命令：將 wukong 這個 key 對應的 value 設置成 1111。

set?wukong?1111?NX

返回 OK，表示設置成功。重復執行該命令，返回 nil表示設置失敗。

四、青銅方案

我們先用 Redis 的 SETNX 命令來實現最簡單的分布式鎖。

4.1 青銅原理

我們來看下流程圖：

多個并發線程都去 Redis 中申請鎖，也就是執行 setnx 命令，假設線程 A 執行成功，說明當前線程 A 獲得了。

其他線程執行 setnx 命令都會是失敗的，所以需要等待線程 A 釋放鎖。

線程 A 執行完自己的業務后，刪除鎖。

其他線程繼續搶占鎖，也就是執行 setnx 命令。因為線程 A 已經刪除了鎖，所以又有其他線程可以搶占到鎖了。

代碼示例如下，Java 中 setnx 命令對應的代碼為 setIfAbsent。

setIfAbsent 方法的第一個參數代表 key，第二個參數代表值。

//?1.先搶占鎖
Boolean?lock?=?redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock",?"123");
????????if(lock)?{
????????//?2.搶占成功，執行業務
????????List?typeEntityListFromDb?=?getDataFromDB();
????????//?3.解鎖
????????redisTemplate.delete("lock");
????????return?typeEntityListFromDb;
????????}?else?{
????????//?4.休眠一段時間
????????sleep(100);
????????//?5.搶占失敗，等待鎖釋放
????????return?getTypeEntityListByRedisDistributedLock();
????????}

一個小問題：那為什么需要休眠一段時間？

因為該程序存在遞歸調用，可能會導致棧空間溢出。

4.2 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，然后突然斷電了，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。

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

那如何規避這個風險呢？

設置鎖的自動過期時間，過一段時間后，自動刪除鎖，這樣其他線程就能獲取到鎖了。

五、白銀方案

5.1 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。

還是生活中的例子：小空開鎖成功后，給這款智能鎖設置了一個沙漏倒計時，沙漏完后，門鎖自動打開。即使房間突然斷電，過一段時間后，鎖會自動打開，其他人就可以進來了。

5.2 技術原理圖

和青銅方案不同的地方在于，在占鎖成功后，設置鎖的過期時間，這兩步是分步執行的。如下圖所示：

5.3 示例代碼

清理 redis key 的代碼如下

//?在?10s?以后，自動清理?lock
redisTemplate.expire("lock",?10,?TimeUnit.SECONDS);

完整代碼如下：

//?1.先搶占鎖
Boolean?lock?=?redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock",?"123");
????????if(lock)?{
????????//?2.在?10s?以后，自動清理?lock
????????redisTemplate.expire("lock",?10,?TimeUnit.SECONDS);
????????//?3.搶占成功，執行業務
????????List?typeEntityListFromDb?=?getDataFromDB();
????????//?4.解鎖
????????redisTemplate.delete("lock");
????????return?typeEntityListFromDb;
????????}

5.4 白銀方案的缺陷

白銀方案看似解決了線程異常或服務器宕機造成的鎖未釋放的問題，但還是存在其他問題：

因為占鎖和設置過期時間是分兩步執行的，所以如果在這兩步之間發生了異常，則鎖的過期時間根本就沒有設置成功。

所以和青銅方案有一樣的問題：鎖永遠不能過期 。

六、黃金方案

6.1 原子指令

上面的白銀方案中，占鎖和設置鎖過期時間是分步兩步執行的，這個時候，我們可以聯想到什么：事務的原子性（Atom）。

原子性 ：多條命令要么都成功執行，要么都不執行。

將兩步放在一步中執行：占鎖+設置鎖過期時間。

Redis 正好支持這種操作：

#?設置某個?key?的值并設置多少毫秒或秒?過期。
????????set???PX?<多少毫秒>?NX
????????或
????????set???EX?<多少秒>?NX

然后可以通過如下命令查看 key 的變化

ttl?

下面演示下如何設置 key 并設置過期時間。注意：執行命令之前需要先刪除 key，可以通過客戶端或命令刪除。

#?設置?key=wukong，value=1111，過期時間=5000ms
????????set?wukong?1111?PX?5000?NX
????????#?查看?key?的狀態
????????ttl?wukong

執行結果如下圖所示：每運行一次 ttl 命令，就可以看到 wukong 的過期時間就會減少。最后會變為 -2（已過期）。

6.2 技術原理圖

黃金方案和白銀方案的不同之處：獲取鎖的時候，也需要設置鎖的過期時間，這是一個原子操作，要么都成功執行，要么都不執行。如下圖所示：

6.3 示例代碼

設置 lock 的值等于 123，過期時間為 10 秒。如果 10 秒以后，lock 還存在，則清理 lock。

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

6.4 黃金方案的缺陷

我們還是舉生活中的例子來看下黃金方案的缺陷。

6.4.1 用戶 A 搶占鎖

用戶 A 先搶占到了鎖，并設置了這個鎖 10 秒以后自動開鎖，鎖的編號為 123。

10 秒以后，A 還在執行任務，此時鎖被自動打開了。

6.4.2 用戶 B 搶占鎖

用戶 B 看到房間的鎖打開了，于是搶占到了鎖，設置鎖的編號為 123，并設置了過期時間 10 秒。

因房間內只允許一個用戶執行任務，所以用戶 A 和用戶 B 執行任務產生了沖突。

用戶 A 在 15 s 后，完成了任務，此時用戶 B 還在執行任務。

用戶 A 主動打開了編號為 123的鎖。

用戶 B 還在執行任務，發現鎖已經被打開了。

用戶 B 非常生氣：我還沒執行完任務呢，鎖怎么開了？

6.4.3 用戶 C 搶占鎖

用戶 B 的鎖被 A 主動打開后，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。

因房間內只允許一個用戶執行任務，所以用戶 B 和用戶 C 執行任務產生了沖突。

從上面的案例中我們可以知道，因為用戶 A 處理任務所需要的時間大于鎖自動清理（開鎖）的時間，所以在自動開鎖后，又有其他用戶搶占到了鎖。當用戶 A 完成任務后，會把其他用戶搶占到的鎖給主動打開。

這里為什么會打開別人的鎖？ 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。

七、鉑金方案

7.1 生活中的例子

上面的黃金方案的缺陷也很好解決，給每個鎖設置不同的編號 不就好了～

如下圖所示，B 搶占的鎖是藍色的，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：

動圖演示

靜態圖更高清，可以看看：

7.2 技術原理圖

與黃金方案的不同之處：

設置鎖的過期時間時，還需要設置唯一編號。

主動刪除鎖的時候，需要判斷鎖的編號是否和設置的一致，如果一致，則認為是自己設置的鎖，可以進行主動刪除。

7.3 代碼示例

//?1.生成唯一?id
String?uuid?=?UUID.randomUUID().toString();
//?2.?搶占鎖
????????Boolean?lock?=?redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock",?uuid,?10,?TimeUnit.SECONDS);
????????if(lock)?{
????????System.out.println("搶占成功："?+?uuid);
????????//?3.搶占成功，執行業務
????????List?typeEntityListFromDb?=?getDataFromDB();
????????//?4.獲取當前鎖的值
????????String?lockValue?=?redisTemplate.opsForValue().get("lock");
????????//?5.如果鎖的值和設置的值相等，則清理自己的鎖
????????if(uuid.equals(lockValue))?{
????????System.out.println("清理鎖："?+?lockValue);
????????redisTemplate.delete("lock");
????????}
????????return?typeEntityListFromDb;
????????}?else?{
????????System.out.println("搶占失敗，等待鎖釋放");
????????//?4.休眠一段時間
????????sleep(100);
????????//?5.搶占失敗，等待鎖釋放
????????return?getTypeEntityListByRedisDistributedLock();
????????}

1.生成隨機唯一 id，給鎖加上唯一值。

2.搶占鎖，并設置過期時間為 10 s，且鎖具有隨機唯一 id。

3.搶占成功，執行業務。

4.執行完業務后，獲取當前鎖的值。

5.如果鎖的值和設置的值相等，則清理自己的鎖。

7.4 鉑金方案的缺陷

上面的方案看似很完美，但還是存在問題：第 4 步和第 5 步并不是原子性的。

時刻：0s。線程 A 搶占到了鎖。

時刻：9.5s。線程 A 向 Redis 查詢當前 key 的值。

時刻：10s。鎖自動過期。

時刻：11s。線程 B 搶占到鎖。

時刻：12s。線程 A 在查詢途中耗時長，終于拿多鎖的值。

時刻：13s。線程 A 還是拿自己設置的鎖的值和返回的值進行比較，值是相等的，清理鎖，但是這個鎖其實是線程 B 搶占的鎖。

那如何規避這個風險呢？鉆石方案登場。

八、鉆石方案

上面的線程 A 查詢鎖和刪除鎖的邏輯不是原子性的，所以將查詢鎖和刪除鎖這兩步作為原子指令操作就可以了。

8.1 技術原理圖

如下圖所示，紅色圈出來的部分是鉆石方案的不同之處。用腳本進行刪除，達到原子操作。

8.2 代碼示例

那如何用腳本進行刪除呢？

我們先來看一下這段 Redis 專屬腳本：

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

這段腳本和鉑金方案的獲取key，刪除key的方式很像。先獲取 KEYS[1] 的 value，判斷 KEYS[1] 的 value 是否和 ARGV[1] 的值相等，如果相等，則刪除 KEYS[1]。

那么這段腳本怎么在 Java 項目中執行呢？

分兩步：先定義腳本；用 redisTemplate.execute 方法執行腳本。

//?腳本解鎖
String?script?=?"if?redis.call('get',KEYS[1])?==?ARGV[1]?then?return?redis.call('del',KEYS[1])?else?return?0?end";
????????redisTemplate.execute(new?DefaultRedisScript(script,?Long.class),?Arrays.asList("lock"),?uuid);

上面的代碼中，KEYS[1] 對應“lock”，ARGV[1] 對應 “uuid”，含義就是如果 lock 的 value 等于 uuid 則刪除 lock。

而這段 Redis 腳本是由 Redis 內嵌的 Lua 環境執行的，所以又稱作 Lua 腳本。

那鉆石方案是不是就完美了呢？有沒有更好的方案呢？

之后我們再來介紹另外一種分布式鎖的王者方案：Redisson。

九、總結

本篇通過本地鎖的問題引申出分布式鎖的問題。然后介紹了五種分布式鎖的方案，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。

下面總結下上面五種方案的缺陷和改進之處。

青銅方案 ：

缺陷：業務代碼出現異常或者服務器宕機，沒有執行主動刪除鎖的邏輯，就造成了死鎖。

改進：設置鎖的自動過期時間，過一段時間后，自動刪除鎖，這樣其他線程就能獲取到鎖了。