Redis 分佈式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案

緩存系列文章：

上篇我們講到如何用本地內存做緩存來增強系統的性能，另外探討了加鎖解決緩存擊穿的問題。但是本地加鎖的方式在分佈式的場景下就不適用了，所以本文我們來探討下如何引入分佈式鎖解決本地鎖的問題。

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，在分佈式情況下會帶來數據不一致的問題：比如服務 A 獲取數據後，更新緩存 key =100，服務 B 不受服務 A 的鎖限制，併發去更新緩存 key = 99，最後的結果可能是 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：

二、什麼是分佈式鎖

基於上面本地鎖的問題，我們需要一種支持分佈式集羣環境下的鎖：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後，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，所有併發線程比作人，他們都想進入房間，房間內只能有一個人進入。當有人進入後，將門反鎖，其他人必須等待，直到進去的人出來。

我們來看下分佈式鎖的基本原理，如下圖所示：

我們來分析下上圖的分佈式鎖：

1.前端將 10W 的高併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，需要先搶佔鎖。可以理解爲“佔坑”。
4.獲取到鎖的線程在執行完業務後，釋放鎖。可以理解爲“釋放坑位”。
5.未獲取到的線程需要等待鎖釋放。
6.釋放鎖後，其他線程搶佔鎖。
7.重複執行步驟 4、5、6。

大白話解釋：所有請求的線程都去同一個地方“佔坑”，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“分佈式坑位”。

三、Redis 的 SETNX

Redis 作爲一個公共可訪問的地方，正好可以作爲“佔坑”的地方。

用 Redis 實現分佈式鎖的幾種方案，我們都是用 SETNX 命令（設置 key 等於某 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，什麼都不做。

在 Redis 命令行中是這樣執行的：

set <key> <value> 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

然後執行 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。重複執行該命令，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佈式鎖。

3.1 青銅原理

我們來看下流程圖：

多個併發線程都去 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 執行完自己的業務後，刪除鎖。
其他線程繼續搶佔鎖，也就是執行 setnx 命令。因爲線程 A 已經刪除了鎖，所以又有其他線程可以搶佔到鎖了。

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

setIfAbsent 方法的第一個參數代表 key，第二個參數代表值。

// 1.先搶佔鎖
Boolean lock = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock", "123");
if(lock) {
  // 2.搶佔成功，執行業務
  List<TypeEntity> typeEntityListFromDb = getDataFromDB();
  // 3.解鎖
  redisTemplate.delete("lock");
  return typeEntityListFromDb;
} else {
  // 4.休眠一段時間
  sleep(100);
  // 5.搶佔失敗，等待鎖釋放
  return getTypeEntityListByRedisDistributedLock();
}

一個小問題：那爲什麼需要休眠一段時間？

因爲該程序存在遞歸調用，可能會導致棧空間溢出。

3.2 青銅方案的缺陷

青銅之所以叫青銅，是因爲它是最初級的，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💡，然後突然斷電了，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 佔鎖成功，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，過一段時間後，自動刪除鎖，這樣其他線程就能獲取到鎖了。

四、白銀方案

4.1 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：小空開鎖成功後，給這款智能鎖設置了一個沙漏倒計時⏳，沙漏完後，門鎖自動打開。即使房間突然斷電，過一段時間後，鎖會自動打開，其他人就可以進來了。

4.2 技術原理圖

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

4.3 示例代碼

清理 redis key 的代碼如下

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

完整代碼如下：

// 1.先搶佔鎖
Boolean lock = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock", "123");
if(lock) {
    // 2.在 10s 以後，自動清理 lock
    redisTemplate.expire("lock", 10, TimeUnit.SECONDS);
    // 3.搶佔成功，執行業務
    List<TypeEntity> typeEntityListFromDb = getDataFromDB();
    // 4.解鎖
    redisTemplate.delete("lock");
    return typeEntityListFromDb;
}

4.4 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：

因爲佔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。

五、黃金方案

5.1 原子指令

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

原子性：多條命令要麼都成功執行，要麼都不執行。

將兩步放在一步中執行：佔鎖+設置鎖過期時間。

Redis 正好支持這種操作：

# 設置某個 key 的值並設置多少毫秒或秒 過期。
set <key> <value> PX <多少毫秒> NX
或
set <key> <value> EX <多少秒> NX

然後可以通過如下命令查看 key 的變化

ttl <key>

下面演示下如何設置 key 並設置過期時間。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。最後會變爲 -2（已過期）。

5.2 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，要麼都成功執行，要麼都不執行。如下圖所示：

5.3 示例代碼

設置 lock 的值等於 123，過期時間爲 10 秒。如果 10 秒以後，lock 還存在，則清理 lock。

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

5.4 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。

5.4.1 用戶 A 搶佔鎖

用戶 A 先搶佔到了鎖，並設置了這個鎖 10 秒以後自動開鎖，鎖的編號爲 123。
10 秒以後，A 還在執行任務，此時鎖被自動打開了。

5.4.2 用戶 B 搶佔鎖

用戶 B 看到房間的鎖打開了，於是搶佔到了鎖，設置鎖的編號爲 123，並設置了過期時間 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 執行任務產生了衝突。
用戶 A 在 15 s 後，完成了任務，此時用戶 B 還在執行任務。
用戶 A 主動打開了編號爲 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，鎖怎麼開了？

5.4.3 用戶 C 搶佔鎖

用戶 B 的鎖被 A 主動打開後，A 離開房間，B 還在執行任務。
用戶 C 搶佔到鎖，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 執行任務產生了衝突。

從上面的案例中我們可以知道，因爲用戶 A 處理任務所需要的時間大於鎖自動清理（開鎖）的時間，所以在自動開鎖後，又有其他用戶搶佔到了鎖。當用戶 A 完成任務後，會把其他用戶搶佔到的鎖給主動打開。

這裏爲什麼會打開別人的鎖？
因爲鎖的編號都叫做 “123”，用戶 A 只認鎖編號，看見編號爲 “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。

六、鉑金方案

6.1 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 搶佔的鎖是藍色的，和 A 搶佔到綠色鎖不一樣。這樣就不會被 A 打開了。

做了個動圖，方便理解：

靜態圖更高清，可以看看：

6.2 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，則認爲是自己設置的鎖，可以進行主動刪除。

6.3 代碼示例

// 1.生成唯一 id
String uuid = UUID.randomUUID().toString();
// 2. 搶佔鎖
Boolean lock = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock", uuid, 10, TimeUnit.SECONDS);
if(lock) {
    System.out.println("搶佔成功：" + uuid);
    // 3.搶佔成功，執行業務
    List<TypeEntity> 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("搶佔失敗，等待鎖釋放");
    // 4.休眠一段時間
    sleep(100);
    // 5.搶佔失敗，等待鎖釋放
    return getTypeEntityListByRedisDistributedLock();
}

1.生成隨機唯一 id，給鎖加上唯一值。
2.搶佔鎖，並設置過期時間爲 10 s，且鎖具有隨機唯一 id。
3.搶佔成功，執行業務。
4.執行完業務後，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。

6.4 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 步並不是原子性的。

時刻：0s。線程 A 搶佔到了鎖。
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 搶佔到鎖。
時刻：12s。線程 A 在查詢途中耗時長，終於拿多鎖的值。
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 搶佔的鎖。

那如何規避這個風險呢？鑽石方案登場。

七、鑽石方案

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爲原子指令操作就可以了。

7.1 技術原理圖

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

7.2 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 0end

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]。

那麼這段腳本怎麼在 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<Long>(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 等於 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。

那鑽石方案是不是就完美了呢？有沒有更好的方案呢？

下篇，我們再來介紹另外一種分佈式鎖的王者方案：Redisson。

八、總結

本篇通過本地鎖的問題引申出分佈式鎖的問題。然後介紹了五種分佈式鎖的方案，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，過一段時間後，自動刪除鎖，這樣其他線程就能獲取到鎖了。

白銀方案：

缺陷：佔鎖和設置鎖過期時間是分步兩步執行的，不是原子操作。
改進：佔鎖和設置鎖過期時間保證原子操作。

黃金方案：

缺陷：主動刪除鎖時，因鎖的值都是相同的，將其他客戶端佔用的鎖刪除了。
改進：每次佔用的鎖，隨機設爲較大的值，主動刪除鎖時，比較鎖的值和自己設置的值是否相等。

鉑金方案：

缺陷：獲取鎖、比較鎖的值、刪除鎖，這三步是非原子性的。中途又可能鎖自動過期了，又被其他客戶端搶佔了鎖，導致刪鎖時把其他客戶端佔用的鎖刪了。
改進：使用 Lua 腳本進行獲取鎖、比較鎖、刪除鎖的原子操作。

鑽石方案：

缺陷：非專業的分佈式鎖方案。
改進：Redission 分佈式鎖。

王者方案，下篇見～

上述所有代碼都基於 PassJava 開源項目，後端、前端、小程序都上傳到同一個倉庫裏面了，大家可以通過 github 或碼雲訪問。地址如下：

Github: https://github.com/Jackson0714/PassJava-Platform

碼雲：https://gitee.com/jayh2018/PassJava-Platform

配套教程：www.passjava.cn

參考資料：http://redis.cn/commands/set.html

Redis 分佈式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案

一、本地鎖的問題

二、什麼是分佈式鎖

三、Redis 的 SETNX

四、青銅方案

3.1 青銅原理

3.2 青銅方案的缺陷

四、白銀方案

4.1 生活中的例子

4.2 技術原理圖

4.3 示例代碼

4.4 白銀方案的缺陷

五、黃金方案

5.1 原子指令

5.2 技術原理圖

5.3 示例代碼

5.4 黃金方案的缺陷

5.4.1 用戶 A 搶佔鎖

5.4.2 用戶 B 搶佔鎖

5.4.3 用戶 C 搶佔鎖

六、鉑金方案

6.1 生活中的例子

6.2 技術原理圖

6.3 代碼示例

6.4 鉑金方案的缺陷

七、鑽石方案

7.1 技術原理圖

7.2 代碼示例

八、總結

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分佈式鎖中的王者方案-Redisson

Redis 分佈式鎖｜從青銅到鑽石的五種演進方案

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