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Redis 分布式锁|从青铜到钻石的五种演进方案

目前题目微服务被拆分成了四个微服务。前端请求进来时,会被转发到不同的微服务。假如前端接收了 10 W 个请求,每个微服务接收 2.5 W 个请求,假如缓存失效了,每个微服务在访问数据库时加锁,通过锁(synchronzied 或 lock)来锁住自己的线程资源,从而防止缓存击穿。

作者: 悟空聊架构来源: 悟空聊架构|2021-04-29 19:07

上篇我们讲到如何用本地内存:《缓存实战(上篇)》 来做缓存从而增强系统的性能,另外探讨了加锁解决缓存击穿的问题。但是本地加锁的方式在分布式的场景下就不适用了,所以本文我们来探讨下如何引入分布式锁解决本地锁的问题。本篇所有代码和业务基于我的开源项目 PassJava。

本篇主要内容如下:

一、本地锁的问题

首先我们来回顾下本地锁的问题:

目前题目微服务被拆分成了四个微服务。前端请求进来时,会被转发到不同的微服务。假如前端接收了 10 W 个请求,每个微服务接收 2.5 W 个请求,假如缓存失效了,每个微服务在访问数据库时加锁,通过锁(synchronzied 或 lock)来锁住自己的线程资源,从而防止缓存击穿。

这是一种本地加锁的方式,在分布式情况下会带来数据不一致的问题:比如服务 A 获取数据后,更新缓存 key =100,服务 B 不受服务 A 的锁限制,并发去更新缓存 key = 99,最后的结果可能是 99 或 100,但这是一种未知的状态,与期望结果不一致。流程图如下所示:

二、什么是分布式锁

基于上面本地锁的问题,我们需要一种支持分布式集群环境下的锁:查询 DB 时,只有一个线程能访问,其他线程都需要等待第一个线程释放锁资源后,才能继续执行。

生活中的案例:可以把锁看成房门外的一把锁,所有并发线程比作人,他们都想进入房间,房间内只能有一个人进入。当有人进入后,将门反锁,其他人必须等待,直到进去的人出来。

我们来看下分布式锁的基本原理,如下图所示:

我们来分析下上图的分布式锁:

  • 1.前端将 10W 的高并发请求转发给四个题目微服务。
  • 2.每个微服务处理 2.5 W 个请求。
  • 3.每个处理请求的线程在执行业务之前,需要先抢占锁。可以理解为“占坑”。
  • 4.获取到锁的线程在执行完业务后,释放锁。可以理解为“释放坑位”。
  • 5.未获取到的线程需要等待锁释放。
  • 6.释放锁后,其他线程抢占锁。
  • 7.重复执行步骤 4、5、6。

大白话解释:所有请求的线程都去同一个地方“占坑”,如果有坑位,就执行业务逻辑,没有坑位,就需要其他线程释放“坑位”。这个坑位是所有线程可见的,可以把这个坑位放到 Redis 缓存或者数据库,这篇讲的就是如何用 Redis 做“分布式坑位”。

三、Redis 的 SETNX

Redis 作为一个公共可访问的地方,正好可以作为“占坑”的地方。

用 Redis 实现分布式锁的几种方案,我们都是用 SETNX 命令(设置 key 等于某 value)。只是高阶方案传的参数个数不一样,以及考虑了异常情况。

我们来看下这个命令,SETNX是set If not exist的简写。意思就是当 key 不存在时,设置 key 的值,存在时,什么都不做。

在 Redis 命令行中是这样执行的:

  1. set <key> <value> NX 

我们可以进到 redis 容器中来试下 SETNX 命令。

先进入容器:

  1. docker exec -it <容器 id> redid-cli 

然后执行 SETNX 命令:将 wukong 这个 key 对应的 value 设置成 1111。

  1. set wukong 1111 NX 

返回 OK,表示设置成功。重复执行该命令,返回 nil表示设置失败。

四、青铜方案

我们先用 Redis 的 SETNX 命令来实现最简单的分布式锁。

3.1 青铜原理

我们来看下流程图:

  • 多个并发线程都去 Redis 中申请锁,也就是执行 setnx 命令,假设线程 A 执行成功,说明当前线程 A 获得了。
  • 其他线程执行 setnx 命令都会是失败的,所以需要等待线程 A 释放锁。
  • 线程 A 执行完自己的业务后,删除锁。
  • 其他线程继续抢占锁,也就是执行 setnx 命令。因为线程 A 已经删除了锁,所以又有其他线程可以抢占到锁了。

代码示例如下,Java 中 setnx 命令对应的代码为 setIfAbsent。

setIfAbsent 方法的第一个参数代表 key,第二个参数代表值。

  1. // 1.先抢占锁 
  2. Boolean lock = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock""123"); 
  3. if(lock) { 
  4.   // 2.抢占成功,执行业务 
  5.   List<TypeEntity> typeEntityListFromDb = getDataFromDB(); 
  6.   // 3.解锁 
  7.   redisTemplate.delete("lock"); 
  8.   return typeEntityListFromDb; 
  9. else { 
  10.   // 4.休眠一段时间 
  11.   sleep(100); 
  12.   // 5.抢占失败,等待锁释放 
  13.   return getTypeEntityListByRedisDistributedLock(); 

一个小问题:那为什么需要休眠一段时间?

因为该程序存在递归调用,可能会导致栈空间溢出。

3.2 青铜方案的缺陷

青铜之所以叫青铜,是因为它是最初级的,肯定会带来很多问题。

设想一种家庭场景:晚上小空一个人开锁进入了房间,打开了电灯??,然后突然断电了,小空想开门出去,但是找不到门锁位置,那小明就进不去了,外面的人也进不来。

从技术的角度看:setnx 占锁成功,业务代码出现异常或者服务器宕机,没有执行删除锁的逻辑,就造成了死锁。

那如何规避这个风险呢?

设置锁的自动过期时间,过一段时间后,自动删除锁,这样其他线程就能获取到锁了。

四、白银方案

4.1 生活中的例子

上面提到的青铜方案会有死锁问题,那我们就用上面的规避风险的方案来设计下,也就是我们的白银方案。

还是生活中的例子:小空开锁成功后,给这款智能锁设置了一个沙漏倒计时?,沙漏完后,门锁自动打开。即使房间突然断电,过一段时间后,锁会自动打开,其他人就可以进来了。

4.2 技术原理图

和青铜方案不同的地方在于,在占锁成功后,设置锁的过期时间,这两步是分步执行的。如下图所示:

4.3 示例代码

清理 redis key 的代码如下

  1. // 在 10s 以后,自动清理 lock 
  2. redisTemplate.expire("lock", 10, TimeUnit.SECONDS); 

完整代码如下:

  1. // 1.先抢占锁 
  2. Boolean lock = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock""123"); 
  3. if(lock) { 
  4.     // 2.在 10s 以后,自动清理 lock 
  5.     redisTemplate.expire("lock", 10, TimeUnit.SECONDS); 
  6.     // 3.抢占成功,执行业务 
  7.     List<TypeEntity> typeEntityListFromDb = getDataFromDB(); 
  8.     // 4.解锁 
  9.     redisTemplate.delete("lock"); 
  10.     return typeEntityListFromDb; 

4.4 白银方案的缺陷

白银方案看似解决了线程异常或服务器宕机造成的锁未释放的问题,但还是存在其他问题:

因为占锁和设置过期时间是分两步执行的,所以如果在这两步之间发生了异常,则锁的过期时间根本就没有设置成功。

所以和青铜方案有一样的问题:锁永远不能过期。

五、黄金方案

5.1 原子指令

上面的白银方案中,占锁和设置锁过期时间是分步两步执行的,这个时候,我们可以联想到什么:事务的原子性(Atom)。

原子性:多条命令要么都成功执行,要么都不执行。

将两步放在一步中执行:占锁+设置锁过期时间。

Redis 正好支持这种操作:

  1. # 设置某个 key 的值并设置多少毫秒或秒 过期。 
  2. set <key> <value> PX <多少毫秒> NX 
  3. 或 
  4. set <key> <value> EX <多少秒> NX 

然后可以通过如下命令查看 key 的变化

  1. ttl <key

下面演示下如何设置 key 并设置过期时间。注意:执行命令之前需要先删除 key,可以通过客户端或命令删除。

  1. # 设置 key=wukong,value=1111,过期时间=5000ms 
  2. set wukong 1111 PX 5000 NX 
  3. # 查看 key 的状态 
  4. ttl wukong 

执行结果如下图所示:每运行一次 ttl 命令,就可以看到 wukong 的过期时间就会减少。最后会变为 -2(已过期)。

5.2 技术原理图

黄金方案和白银方案的不同之处:获取锁的时候,也需要设置锁的过期时间,这是一个原子操作,要么都成功执行,要么都不执行。如下图所示:

5.3 示例代码

设置 lock 的值等于 123,过期时间为 10 秒。如果 10 秒 以后,lock 还存在,则清理 lock。

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

5.4 黄金方案的缺陷

我们还是举生活中的例子来看下黄金方案的缺陷。

5.4.1 用户 A 抢占锁

  • 用户 A 先抢占到了锁,并设置了这个锁 10 秒以后自动开锁,锁的编号为 123。
  • 10 秒以后,A 还在执行任务,此时锁被自动打开了。

5.4.2 用户 B 抢占锁

  • 用户 B 看到房间的锁打开了,于是抢占到了锁,设置锁的编号为 123,并设置了过期时间 10 秒。
  • 因房间内只允许一个用户执行任务,所以用户 A 和 用户 B 执行任务产生了冲突。
  • 用户 A 在 15 s 后,完成了任务,此时 用户 B 还在执行任务。
  • 用户 A 主动打开了编号为 123的锁。
  • 用户 B 还在执行任务,发现锁已经被打开了。
  • 用户 B 非常生气:我还没执行完任务呢,锁怎么开了?

5.4.3 用户 C 抢占锁

  • 用户 B 的锁被 A 主动打开后,A 离开房间,B 还在执行任务。
  • 用户 C 抢占到锁,C 开始执行任务。
  • 因房间内只允许一个用户执行任务,所以用户 B 和 用户 C 执行任务产生了冲突。

从上面的案例中我们可以知道,因为用户 A 处理任务所需要的时间大于锁自动清理(开锁)的时间,所以在自动开锁后,又有其他用户抢占到了锁。当用户 A 完成任务后,会把其他用户抢占到的锁给主动打开。

这里为什么会打开别人的锁?因为锁的编号都叫做 “123”,用户 A 只认锁编号,看见编号为 “123”的锁就开,结果把用户 B 的锁打开了,此时用户 B 还未执行完任务,当然生气了。

六、铂金方案

6.1 生活中的例子

上面的黄金方案的缺陷也很好解决,给每个锁设置不同的编号不就好了~

如下图所示,B 抢占的锁是蓝色的,和 A 抢占到绿色锁不一样。这样就不会被 A 打开了。

做了个动图,方便理解:

动图演示

静态图更高清,可以看看:

6.2 技术原理图

与黄金方案的不同之处:

  • 设置锁的过期时间时,还需要设置唯一编号。
  • 主动删除锁的时候,需要判断锁的编号是否和设置的一致,如果一致,则认为是自己设置的锁,可以进行主动删除。

6.3 代码示例

  1. // 1.生成唯一 id 
  2. String uuid = UUID.randomUUID().toString(); 
  3. // 2. 抢占锁 
  4. Boolean lock = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent("lock", uuid, 10, TimeUnit.SECONDS); 
  5. if(lock) { 
  6.     System.out.println("抢占成功:" + uuid); 
  7.     // 3.抢占成功,执行业务 
  8.     List<TypeEntity> typeEntityListFromDb = getDataFromDB(); 
  9.     // 4.获取当前锁的值 
  10.     String lockValue = redisTemplate.opsForValue().get("lock"); 
  11.     // 5.如果锁的值和设置的值相等,则清理自己的锁 
  12.     if(uuid.equals(lockValue)) { 
  13.         System.out.println("清理锁:" + lockValue); 
  14.         redisTemplate.delete("lock"); 
  15.     } 
  16.     return typeEntityListFromDb; 
  17. else { 
  18.     System.out.println("抢占失败,等待锁释放"); 
  19.     // 4.休眠一段时间 
  20.     sleep(100); 
  21.     // 5.抢占失败,等待锁释放 
  22.     return getTypeEntityListByRedisDistributedLock(); 
  • 1.生成随机唯一 id,给锁加上唯一值。
  • 2.抢占锁,并设置过期时间为 10 s,且锁具有随机唯一 id。
  • 3.抢占成功,执行业务。
  • 4.执行完业务后,获取当前锁的值。
  • 5.如果锁的值和设置的值相等,则清理自己的锁。

6.4 铂金方案的缺陷

上面的方案看似很完美,但还是存在问题:第 4 步和第 5 步并不是原子性的。

  • 时刻:0s。线程 A 抢占到了锁。
  • 时刻:9.5s。线程 A 向 Redis 查询当前 key 的值。
  • 时刻:10s。锁自动过期。
  • 时刻:11s。线程 B 抢占到锁。
  • 时刻:12s。线程 A 在查询途中耗时长,终于拿多锁的值。
  • 时刻:13s。线程 A 还是拿自己设置的锁的值和返回的值进行比较,值是相等的,清理锁,但是这个锁其实是线程 B 抢占的锁。

那如何规避这个风险呢?钻石方案登场。

七、钻石方案

上面的线程 A 查询锁和删除锁的逻辑不是原子性的,所以将查询锁和删除锁这两步作为原子指令操作就可以了。

7.1 技术原理图

如下图所示,红色圈出来的部分是钻石方案的不同之处。用脚本进行删除,达到原子操作。

7.2 代码示例

那如何用脚本进行删除呢?

我们先来看一下这段 Redis 专属脚本:

  1. if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] 
  2. then 
  3.     return redis.call("del",KEYS[1]) 
  4. else 
  5.     return 0 
  6. end 

这段脚本和铂金方案的获取key,删除key的方式很像。先获取 KEYS[1] 的 value,判断 KEYS[1] 的 value 是否和 ARGV[1] 的值相等,如果相等,则删除 KEYS[1]。

那么这段脚本怎么在 Java 项目中执行呢?

分两步:先定义脚本;用 redisTemplate.execute 方法执行脚本。

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

上面的代码中,KEYS[1] 对应“lock”,ARGV[1] 对应 “uuid”,含义就是如果 lock 的 value 等于 uuid 则删除 lock。

而这段 Redis 脚本是由 Redis 内嵌的 Lua 环境执行的,所以又称作 Lua 脚本。

那钻石方案是不是就完美了呢?有没有更好的方案呢?

下篇,我们再来介绍另外一种分布式锁的王者方案:Redisson。

八、总结

本篇通过本地锁的问题引申出分布式锁的问题。然后介绍了五种分布式锁的方案,由浅入深讲解了不同方案的改进之处。

从上面几种方案的不断演进的过程中,知道了系统中哪些地方可能存在异常情况,以及该如何更好地进行处理。

举一反三,这种不断演进的思维模式也可以运用到其他技术中。

下面总结下上面五种方案的缺陷和改进之处。

青铜方案:

  • 缺陷:业务代码出现异常或者服务器宕机,没有执行主动删除锁的逻辑,就造成了死锁。
  • 改进:设置锁的自动过期时间,过一段时间后,自动删除锁,这样其他线程就能获取到锁了。

白银方案:

  • 缺陷:占锁和设置锁过期时间是分步两步执行的,不是原子操作。
  • 改进:占锁和设置锁过期时间保证原子操作。

黄金方案:

  • 缺陷:主动删除锁时,因锁的值都是相同的,将其他客户端占用的锁删除了。
  • 改进:每次占用的锁,随机设为较大的值,主动删除锁时,比较锁的值和自己设置的值是否相等。

铂金方案:

  • 缺陷:获取锁、比较锁的值、删除锁,这三步是非原子性的。中途又可能锁自动过期了,又被其他客户端抢占了锁,导致删锁时把其他客户端占用的锁删了。
  • 改进:使用 Lua 脚本进行获取锁、比较锁、删除锁的原子操作。

钻石方案:

  • 缺陷:非专业的分布式锁方案。
  • 改进:Redission 分布式锁。

王者方案,下篇见~

上述所有代码都基于 PassJava 开源项目,后端、前端、小程序都上传到同一个仓库里面了,大家可以通过 github 或 码云访问。地址如下:

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

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

配套教程:www.passjava.cn

参考资料:

http://redis.cn/commands/set.html

https://www.bilibili.com/video/BV1np4y1C7Yf

本文转载自微信公众号「悟空聊架构」,可以通过以下二维码关注。转载本文请联系悟空聊架构公众号。

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