System design: Distributed lock | Redis distributed lock

 

面试官喜欢这样问：Redis分布式锁，如何实现？（问题分析）

996小迁

0.6772021.02.18 23:58:13字数 1,229阅读 374

一、分布式锁简介

1.什么是分布式锁

• 当在分布式模型下，数据只有一份（或有限制），此时需要利用锁的技术控制某一时刻修改数据的进程数。
• 与单机模式下的锁不仅需要保证进程可见，还需要考虑进程与锁之间的网络问题。
• 分布式锁还是可以将标记存在内存，只是该内存不是某个进程分配的内存而是公共内存如 Redis、Memcache。至于利用数据库、文件等做锁与单机的实现是一样的，只要保证标记能互斥就行。

2.分布式锁具备的条件

• 在分布式系统环境下，一个方法在同一时间只能被一个机器的一个线程执行；
• 高可用的获取锁与释放锁；
• 高性能的获取锁与释放锁；
• 具备可重入特性；
• 具备锁失效机制，防止死锁；
• 具备非阻塞锁特性，即没有获取到锁将直接返回获取锁失败。

二、采用Redis实现分布式锁

1.常规代码实现

@RequestMapping("/deduct_stock")
public String deductStock() {
    String lockKey = "product_001";
    try {
       /*Boolean result = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(lockKey, "aaa"); //jedis.setnx
        stringRedisTemplate.expire(lockKey, 30, TimeUnit.SECONDS); //设置超时*/
        //为解决原子性问题将设置锁和设置超时时间合并
        Boolean result = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(lockKey, "aaa", 10, TimeUnit.SECONDS);

        //未设置成功，当前key已经存在了，直接返回错误
        if (!result) {
            return "error_code";
        }

        //业务逻辑实现，扣减库存
        ....
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }finally {
        stringRedisTemplate.delete(lockKey);
    }
    return "end";
}

2.问题分析

上述代码可以看到，当前锁的失效时间为10s，如果当前扣减库存的业务逻辑执行需要15s时，高并发时会出现问题：

• 线程1，首先执行到10s后，锁(product_001)失效
• 线程2，在第10s后同样进入当前方法，此时加上锁(product_001)
• 当执行到15s时，线程1删除线程2加的锁(product_001)
• 线程3，可以加锁 .... 如此循环，实际锁已经没有意义

a）方案1：当前线程删除当前线程所加的锁

@RequestMapping("/deduct_stock")
public String deductStock() {
    String lockKey = "product_001";
    //定义唯一的客户端ID
    String clientId = UUID.randomUUID().toString();
    try {
        //为解决原子性问题将设置锁和设置超时时间合并,将clientID作为值放入锁中
        Boolean result = stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(lockKey, clientId, 10, TimeUnit.SECONDS);

        //未设置成功，当前key已经存在了，直接返回错误
        if (!result) {
            return "error_code";
        }

        //业务逻辑实现，扣减库存
        ....
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }finally {
        //只有在获取锁的值为当前clientId时才会进行删除锁操作
        if (clientId.equals(stringRedisTemplate.opsForValue().get(lockKey))) {
            stringRedisTemplate.delete(lockKey);
        }
    }
    return "end";
}

这样能保证每个线程删除的锁为当前线程添加的锁，但是 还是会有超卖的问题 ：因为 线程1在还没有执行完成的时候，此时锁已经到达过期时间，此时线程2则会加锁成功

b）方案2：续命锁

定义一个子线程，定时去查看 是否存在主线程的持有当前锁 ，如果 存在则为其延长过期时间。

c）方案3：Redisson

@Autowired
Redisson redisson;
@RequestMapping("/deduct_stock_redisson")
public String deductStockRedisson() {
    String lockKey = "product_001";
    RLock rlock = redisson.getLock(lockKey);
    try {
        rlock.lock();

        //业务逻辑实现，扣减库存
        ....
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        rlock.unlock();
    }
    return "end";
}

面试官喜欢这样问：Redis分布式锁，如何实现？（问题分析）

• 多个线程去执行lock操作，仅有一个线程能够加锁成功，其它线程循环阻塞。
• 加锁成功，锁超时时间 默认30s ，并开启后台线程，加锁的后台会 每隔10秒 去检测线程持有的锁是否存在，还在的话，就延迟锁超时时间，重新设置为30s，即 锁延期。
• 对于原子性，Redis分布式锁底层借助 Lua脚本实现锁的原子性 。锁延期是通过在底层用Lua进行延时，延时检测时间是对超时时间timeout /3

三、采用Redisson分布式锁的问题分析

1.主从同步问题

当主Redis加锁了，开始执行线程，若还未将锁通过异步同步的方式同步到从Redis节点，主节点就挂了，此时会把某一台从节点作为新的主节点，此时别的线程就可以加锁了，这样就出错了，怎么办？

a）采用zookeeper代替Redis

由于zk集群的特点，其支持的是CP。而Redis集群支持的则是AP。

b）采用RedLock

面试官喜欢这样问：Redis分布式锁，如何实现？（问题分析）

假设有3个redis节点，这些节点之间既没有主从，也没有集群关系。客户端用相同的key和随机值在3个节点上请求锁，请求锁的超时时间应小于锁自动释放时间。当在2个（超过半数）redis上请求到锁的时候，才算是真正获取到了锁。如果没有获取到锁，则把部分已锁的redis释放掉。

@RequestMapping("/deduct_stock_redlock")
public String deductStockRedlock() {
    String lockKey = "product_001";
    //TODO 这里需要自己实例化不同redis实例的redisson客户端连接，这里只是伪代码用一个redisson客户端简化了
    RLock rLock1 = redisson.getLock(lockKey);
    RLock rLock2 = redisson.getLock(lockKey);
    RLock rLock3 = redisson.getLock(lockKey);

    // 向3个redis实例尝试加锁
    RedissonRedLock redLock = new RedissonRedLock(rLock1, rLock2, rLock3);
    boolean isLock;
    try {
        // 500ms拿不到锁, 就认为获取锁失败。10000ms即10s是锁失效时间。
        isLock = redLock.tryLock(500, 10000, TimeUnit.MILLISECONDS);
        System.out.println("isLock = " + isLock);
        if (isLock) {
            //业务逻辑处理
            ...
        }
    } catch (Exception e) {

    } finally {
        // 无论如何, 最后都要解锁
        redLock.unlock();
    }
}

具体使用存在争议，不太推荐使用。 如果考虑高可用并发推荐使用Redisson，考虑一致性推荐使用zookeeper 。

2.提高并发：分段锁

由于Redisson实际上就是将并行的请求，转化为串行请求。这样就降低了并发的响应速度，为了解决这一问题，可以将锁进行分段处理：例如秒杀商品001，原本存在1000个商品，可以将其分为20段，为每段分配50个商品...