redis實現分散式鎖（包含程式碼以及分析利弊）

煜航發表於2023-02-11
Redis分散式

redis實現分散式鎖（基礎版）

使用redis實現分散式鎖的方法有多種，基礎版本是基於setnx命令，即如果不存在則設定。這個命令可以保證只有一個客戶端能夠成功設定一個key，從而獲得鎖。設定key的時候需要設定一個過期時間，以防止死鎖。釋放鎖的時候需要刪除key，或者使用lua指令碼來保證原子性。

//匯入jedis依賴
import redis.clients.jedis.Jedis;

//定義一個分散式鎖的類
class RedisLock {
    //定義一個jedis物件，用於連線redis
    private Jedis jedis;
    //定義一個鎖的key
    private String lockKey;
    //定義一個鎖的過期時間，單位是毫秒
    private long expireTime;

    //構造方法，傳入jedis物件，鎖的key和過期時間
    public RedisLock(Jedis jedis, String lockKey, long expireTime) {
        this.jedis = jedis;
        this.lockKey = lockKey;
        this.expireTime = expireTime;
    }

    //嘗試獲取鎖的方法，返回一個布林值，表示是否成功獲取鎖
    public boolean tryLock() {
        //使用setnx命令，如果成功設定key，返回1，否則返回0
        long result = jedis.setnx(lockKey, "1");
        //如果返回1，表示獲取鎖成功
        if (result == 1) {
            //設定key的過期時間，防止死鎖
            jedis.pexpire(lockKey, expireTime);
            //返回true
            return true;
        }
        //如果返回0，表示獲取鎖失敗
        else {
            //返回false
            return false;
        }
    }

    //釋放鎖的方法
    public void unlock() {
        //刪除key，釋放鎖
        jedis.del(lockKey);
    }
}

基礎程式碼優缺點：

分析一下這個程式碼的優缺點。這個程式碼的優點是簡單易懂，使用setnx命令可以保證鎖的互斥性，使用過期時間可以防止死鎖。這個程式碼的缺點是不夠健壯，有以下幾個問題：

  • 如果在設定key的過期時間之前，客戶端崩潰或者網路中斷，那麼key可能永遠不會過期，導致其他客戶端無法獲取鎖。
  • 如果在釋放鎖之前，客戶端崩潰或者網路中斷，那麼key可能沒有被刪除，導致其他客戶端無法獲取鎖。
  • 如果在釋放鎖的時候，key已經過期，那麼可能會誤刪其他客戶端設定的key，導致鎖的安全性被破壞。
  • 如果鎖的過期時間太短，那麼可能會導致客戶端在執行任務的過程中，鎖被其他客戶端搶佔，導致任務的一致性被破壞。
  • 如果鎖的過期時間太長，那麼可能會導致客戶端在獲取鎖失敗的情況下，等待的時間過長，導致效能下降。

redis實現分散式鎖（進階版）

為瞭解決這些問題，可以使用一些更復雜的邏輯，如使用lua指令碼來保證設定key和過期時間的原子性，使用唯一的隨機值來標識鎖的持有者，使用續租機制來延長鎖的過期時間等。

//匯入jedis依賴
import redis.clients.jedis.Jedis;

//定義一個分散式鎖的類
class RedisLock {
    //定義一個jedis物件，用於連線redis
    private Jedis jedis;
    //定義一個鎖的key
    private String lockKey;
    //定義一個鎖的過期時間，單位是毫秒
    private long expireTime;
    //定義一個鎖的唯一值，用於標識鎖的持有者
    private String lockValue;
    //定義一個續租執行緒，用於延長鎖的過期時間
    private Thread renewThread;
    //定義一個lua指令碼，用於原子性地設定key和過期時間
    private String setScript = "if redis.call('setnx', KEYS[1], ARGV[1]) == 1 then return redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]) else return 0 end";
    //定義一個lua指令碼，用於原子性地刪除key
    private String delScript = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";

    //構造方法，傳入jedis物件，鎖的key和過期時間
    public RedisLock(Jedis jedis, String lockKey, long expireTime) {
        this.jedis = jedis;
        this.lockKey = lockKey;
        this.expireTime = expireTime;
    }

    //嘗試獲取鎖的方法，返回一個布林值，表示是否成功獲取鎖
    public boolean tryLock() {
        //生成一個唯一的隨機值，作為鎖的值
        lockValue = UUID.randomUUID().toString();
        //使用lua指令碼，原子性地設定key和過期時間，如果成功返回1，否則返回0
        long result = (long) jedis.eval(setScript, 1, lockKey, lockValue, String.valueOf(expireTime));
        //如果返回1，表示獲取鎖成功
        if (result == 1) {
            //建立一個續租執行緒，每隔一半的過期時間，就延長鎖的過期時間
            renewThread = new Thread(() -> {
                while (true) {
                    try {
                        //休眠一半的過期時間
                        Thread.sleep(expireTime / 2);
                        //延長鎖的過期時間
                        jedis.pexpire(lockKey, expireTime);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        //如果執行緒被中斷，退出迴圈
                        break;
                    }
                }
            });
            //啟動續租執行緒
            renewThread.start();
            //返回true
            return true;
        }
        //如果返回0，表示獲取鎖失敗
        else {
            //返回false
            return false;
        }
    }

    //釋放鎖的方法
    public void unlock() {
        //使用lua指令碼，原子性地刪除key，只有當key的值和鎖的值相等時，才會刪除
        jedis.eval(delScript, 1, lockKey, lockValue);
        //中斷續租執行緒
        renewThread.interrupt();
    }
}

進階程式碼優缺點：

分析一下這個程式碼的優缺點。這個程式碼的優點是比之前的程式碼更健壯，解決了以下幾個問題：

  • 使用lua指令碼可以保證設定key和過期時間的原子性，避免了客戶端崩潰或者網路中斷導致的死鎖。
  • 使用唯一的隨機值可以標識鎖的持有者，避免了誤刪其他客戶端設定的key的情況。
  • 使用續租機制可以延長鎖的過期時間，避免了鎖被其他客戶端搶佔的情況。
  • 使用lua指令碼可以保證刪除key的原子性，避免了客戶端崩潰或者網路中斷導致的鎖未釋放的情況。

這個程式碼的缺點是還是有一些問題，如：

  • 如果續租執行緒出現異常或者延遲，那麼鎖可能會過期，導致鎖的安全性被破壞。
  • 如果鎖的過期時間太長，那麼可能會導致客戶端在獲取鎖失敗的情況下，等待的時間過長，導致效能下降。
  • 如果鎖的過期時間太短，那麼可能會導致續租執行緒頻繁地延長鎖的過期時間，導致網路開銷增加。
  • 如果redis伺服器出現故障或者主從切換，那麼鎖的狀態可能會丟失，導致鎖的一致性被破壞。

為瞭解決這些問題，可以使用一些更復雜的邏輯，如使用watchdog機制來監控續租執行緒的狀態，使用自旋鎖或者阻塞鎖來最佳化鎖的等待策略，使用叢集或者哨兵模式來提高redis的可用性等。或者可以使用redisson框架，它已經實現了這些邏輯，而且提供了更多的分散式鎖的功能和選項。
但是進階版程式碼已經能cover大部分的場景，沒有技術能實現萬無一失，只是在出現問題的時候進行有效的補救，代價在承受範圍內就行。也沒有什麼技術是永恆最好的，拋開業務談方案就像空中樓閣。
最後，再一次感謝大家的閱讀！

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