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如何使用 Redis 实现分布式锁

锁是我们在设计和实现大多数系统时绕不过的话题。一旦有竞争条件出现,在没有保护的操作的前提下,可能会出现不可预知的问题。

而现代系统大多为分布式系统,这就引入了分布式锁,要求具有在分布各处的服务上保护资源的能力。

而实现分布式锁,目前大多有以下三种方式:

  • 使用数据库实现。
  • 使用 Redis 等缓存系统实现。
  • 使用 Zookeeper 等分布式协调系统实现。

其中 Redis 简便灵活,高可用分布式,且支持持久化。本文即介绍基于 Redis 实现分布式锁。

SETNX 语义

使用 Redis 实现分布式锁,根本原理是 SETNX 指令。其语义如下:

SETNX key value
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命令执行时,如果 key 不存在,则设置 key 值为 value(同set);如果 key 已经存在,则不执行赋值操作。并使用不同的返回值标识。命令描述文档

还可以通过 SET 命令的 NX 选项使用:

SET key value [expiration EX seconds|PX milliseconds] [NX|XX]
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NX - 仅在 key 不存在时执行赋值操作。命令描述文档 而如下文所述,通过SET的NX选项使用,可同时使用其它选项,如EX/PX设置超时时间,是更好的方式。

SETNX 实现分布式锁

下面我们对比下几种具体实现方式。

方案1:SETNX + delete

伪代码如下:

setnx lock_a random_value
// do sth
delete lock_a
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此实现方式的问题在于:一旦服务获取锁之后,因某种原因挂掉,则锁一直无法自动释放。从而导致死锁。

方案2:SETNX + SETEX

伪代码如下:

setnx lock_a random_value
setex lock_a 10 random_value // 10s超时
// do sth
delete lock_a
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按需设置超时时间。此方案解决了方案1死锁的问题,但同时引入了新的死锁问题: 如果setnx之后,setex 之前服务挂掉,会陷入死锁。 根本原因为 setnx/setex 分为了两个步骤,非原子操作。

方案3:SET NX PX

伪代码如下:

SET lock_a random_value NX PX 10000 // 10s超时
// do sth
delete lock_a
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此方案通过 set 的 NX/PX 选项,将加锁、设置超时两个步骤合并为一个原子操作,从而解决方案1、2的问题。(PX与EX选项的语义相同,差异仅在单位。) 此方案目前大多数 sdk、redis 部署方案都支持,因此是推荐使用的方式。 但此方案也有如下问题:

如果锁被错误的释放(如超时),或被错误的抢占,或因redis问题等导致锁丢失,无法很快的感知到。

方案4:SET key randomvalue NX PX

方案4在3的基础上,增加对 value 的检查,只解除自己加的锁。 类似于 CAS,不过是 compare-and-delete。 此方案 redis 原生命令不支持,为保证原子性,需要通过lua脚本实现:。

伪代码如下:

SET lock_a random_value NX PX 10000
// do sth
eval "if redis.call('get',KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del',KEYS[1]) else return 0 end" 1 lock_a random_value
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此方案更严谨:即使因为某些异常导致锁被错误的抢占,也能部分保证锁的正确释放。并且在释放锁时能检测到锁是否被错误抢占、错误释放,从而进行特殊处理。

注意事项

超时时间

从上述描述可看出,超时时间是一个比较重要的变量:

超时时间不能太短,否则在任务执行完成前就自动释放了锁,导致资源暴露在锁保护之外。 超时时间不能太长,否则会导致意外死锁后长时间的等待。除非人为接入处理。 因此建议是根据任务内容,合理衡量超时时间,将超时时间设置为任务内容的几倍即可。 如果实在无法确定而又要求比较严格,可以采用定期 setex/expire 更新超时时间实现。

重试

如果拿不到锁,建议根据任务性质、业务形式进行轮询等待。 等待次数需要参考任务执行时间。

与redis事务的比较

setnx 使用更为灵活方案。multi/exec 的事务实现形式更为复杂。 且部分redis集群方案(如codis),不支持multi/exec 事务。

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