详解Redis如何实现分布式锁的原理

通过原子操作实现 redis 锁 redis 内部是通过 key value 的形式存储的，核心原理是设置一个唯一的 key，如果这个 key 存在，说明有服务

通过原子操作实现 redis 锁

redis 内部是通过 key/value 的形式存储的，核心原理是设置一个唯一的 key，如果这个 key 存在，说明有服务在使用

具体实现方式：

首先判断 redis 中是否存在某个 key，并且为某个值
如果这个 key 不存在，说明当前没有服务在使用，设置 key
如果这个 key 存在，说明当前有服务在使用，就等待一段时间，然后再次判断这个 key 是否存在

如下图所示

这种情况有没有问题呢？

如果在单体应用的场景下，这种方式是可行的；但是在分布式场景下，这种方式就不可行了

因为在分布式场景下，redis 是多个服务共享的，如果多个服务同时判断 key 不存在，那么就会同时设置 key，就会导致多个服务同时执行，这不是我们想要的结果

为什么这样做会有问题？

因为 get 和 set 操作不是原子操作，你先要做操作 get，然后在操作 set，这个过程中

这就会导致当第一台服务在执行 get 时，发现 key 不存在，然后进行 set，这个时候 set 可能还没有完成，第二台服务执行了 get，发现 key 不存在，然后进行 set，这个时候就会导致多个服务同时执行，这就不是原子操作了

原子操作的意思是：一次性执行，不会被打断

这个怎么做呢？

redis 提供了一个 setnx 的方法，作用是如果 key 不存在，就设置 key，设置成功返回 1，设置失败返回 0

这就将 get 和 set 的逻辑合二为一了，保证原子性了

如下图所示：

当我们了解了原理之后，看下人家是不是这样实现的，以 redsync 为例，先来看它使用，从入口函数一步步往下追

rs := redsync.New(pool)
mutexname := "my-global-mutex"
mutex := rs.NewMutex(mutexname)
if err := mutex.Lock(); err != nil {
  panic(err)
}
if ok, err := mutex.Unlock(); !ok || err != nil {
  panic("unlock failed")
}

从上面代码可以看到，它先调用 NewMutex 创建了一个 mutex，然后调用 mutex.Lock() 方法

NewMutex 是初始化函数，用来初始化一系列的参数，

比较重要的有：

name：redis 中的 key
genValueFunc：生成 key 的函数，保证唯一性
expiry：key 过期的时间
tries：尝试的次数，可能会拿不到锁，所以要尝试多次
delayFunc：延迟时间(睡眠时间)，可能会拿不到锁，就需要等一会再尝试
quorum：大多数节点，这个是用来做分布式锁的，如果有 5 个节点，那么这里的大多数是 3 个节点

m := &Mutex{
  name:   name,
  expiry: 8 * time.Second,
  tries:  32,
  delayFunc: func(tries int) time.Duration {
    return time.Duration(rand.Intn(maxRetryDelayMilliSec-minRetryDelayMilliSec)+minRetryDelayMilliSec) * time.Millisecond
  },
  genValueFunc:  genValue,
  driftFactor:   0.01,
  timeoutFactor: 0.05,
  quorum:        len(r.pools)/2 + 1,
  pools:         r.pools,
}

初始化结束之后，调用 m.Lock() 上锁，m.Lock() 方法中调用 m.LockContext() 方法，

LockContext 是核心方法，里面会做很多事情，这一步我们关心它是怎么上锁的，通过搜索发现，上锁的方法是 m.acquire()，其源码是：

func (m *Mutex) acquire(ctx context.Context, pool redis.Pool, value string) (bool, error) {
  conn, err := pool.Get(ctx)
  if err != nil {
    return false, err
  }
  defer conn.Close()
  reply, err := conn.SetNX(m.name, value, m.expiry)
  if err != nil {
    return false, err
  }
  return reply, nil
}

在这里我们清晰的看到调用 SetNX 方法

通过过期时间防止死锁

这样做完之后，还有一个问题需要解决

如果正在操作 redis 的服务挂了，那么这个 key 就会一直存在，其他服务就会等待，这样就造成了死锁

解决这个问题就是设置过期时间，如果服务挂了，过期时间到了，key 就会自动删除，其他服务就可以继续使用了

通过源代码我们可以看到它设置了一个过期时间 expiry

reply, err := conn.SetNX(m.name, value, m.expiry)

这个过期时间是怎么来的呢？

刚刚在入口函数中，我们看到了 NewMutex 函数，它初始化了一个 expiry，这个 expiry 就是过期时间：expiry: 8 * time.Second，它默认设置的是 8 秒

到这里就有疑问了，如果我的服务执行时间超过 8 秒怎么办？，不就达不到锁的效果了？

我们很快就会想到，在过期前刷新下过期时间不就行了？

确实 redsync 也考虑到了这个问题，它提供了一个 Extend 方法，用来刷新过期时间

m.Extent() 方法调用 m.ExtendContext() 方法，在 m.ExtendContext() 方法中调用 m.touch() 方法

func (m *Mutex) Extend() (bool, error) {
  return m.ExtendContext(nil)
}
func (m *Mutex) ExtendContext(ctx context.Context) (bool, error) {
  // ... 省略其他代码
  m.touch(ctx, pool, m.value, int(m.expiry/time.Millisecond))
  // ... 省略其他代码
}
func (m *Mutex) touch(ctx context.Context, pool redis.Pool, value string, expiry int) (bool, error) {
  // ... 省略其他代码
	conn, err := pool.Get(ctx)
  conn.Eval(touchScript, m.name, value, expiry)
}

在 m.touch() 方法中我们看到它调用 redis 提供的 Eval 方法，可以执行一段 lua 脚本，脚本的内容如下：

var touchScript = redis.NewScript(1, `
  if redis.call("GET", KEYS[1]) == ARGV[1] then
    return redis.call("PEXPIRE", KEYS[1], ARGV[2])
  else
    return 0
  end
`)

它为什么要这样做呢？

不就是把过期时间刷新下吗？为什么要写 lua 呢

这里我们需要了解下 redis 的 lua 脚本，redis 的 lua 脚本是原子性的，它可以保证一段脚本的执行是原子性的

这样就可以保证刷新过期时间的操作是原子性的，不会出现刷新过期时间失败的情况

如果我们用 go 语言去续期的需要三步：

先获取到 key 的值
判断 redis 中的值是不是你传进来的值
如果是的话，续期

这样的话，这样的话就不具备原子性了，任何一步都有失败的可能，所以 redsync 选择了 lua 脚本

我们在使用 m.Extend() 续期时，需要用协程去做

那 redsync 为什么不自动续期呢？

如果做自动续期的话，当前正在操作的服务如果 hung 住了，那么就会不停的续期，造成其他服务无法进来，所以 redsync 将续期的功能交给了使用者

防止被其他服务删除

锁只能被持有该锁的服务删除，不能被其他服务删除

如果保证锁只能被持有该锁的服务删除，那么就需要在 setnx 的时候，给 key 设置一个唯一的值，这个值可以是 uuid，这样就可以保证锁只能被持有该锁的服务删除

我们看下 redsync 源码是如何做的，初始化时就生成了一个唯一的值，它是使用 base64 编码的

func genValue() (string, error) {
  b := make([]byte, 16)
  _, err := rand.Read(b)
  if err != nil {
    return "", err
  }
  return base64.StdEncoding.EncodeToString(b), nil
}

删除的时候，调用 m.Unlock() 方法，m.Unlock() 方法调用 m.UnlockContext() 方法，在在 m.release() 方法

func (m *Mutex) release(ctx context.Context, pool redis.Pool, value string) (bool, error) {
  // ... 省略其他代码
  conn, err := pool.Get(ctx)
  conn.Eval(deleteScript, m.name, value)
}

在 m.release() 方法中我们看的也是在执行 lua 脚本，脚本的内容如下：

var deleteScript = redis.NewScript(1, `
  if redis.call("GET", KEYS[1]) == ARGV[1] then
    return redis.call("DEL", KEYS[1])
  else
    return 0
  end
`)

这也是为了保证在删除锁的时候，保证原子性

redlock

通过我们上面讲解的已经能满足一般的使用场景，但是在大型项目中，不会只搭建一个 redis，而是搭建 redis 集群

这样又会出现一个新的问题：redlock

redlock 是什么呢？我们先来看下 redis 集群

一般 redis 集群有一个 master 节点，多个 slave 节点

如下图所示：

当我在加锁时，如果 master 节点会自动同步到 slave 节点，那么就不会有问题

如果这时 master 节点出问题了（或者说在同步过程中出问题，还没有同步完），slave 节点会选举出一个 master 节点，这个过程中会有一段时间，这时如果有一个服务进来写，发现是能写入的，这就出现了问题

如下图所示：

面对这种问题如何解决，引入了 redlock 的这个概念

redlock 的核心思想是：在 redis 集群中，大多数节点都能写入成功，那么就认为写入成功，而不是只向一台 redis 写入

当第一个服务写入时，同时向 5 台 redis 写入，这时如果第二个服务写入，写同时向 5 台 redis 写入，谁先成功写入大多数 redis，谁就认为写入成功，锁就交给谁

这里的大多数就是比一半多 1 台，也就是 n / 2 + 1，所以 redis 应该准备奇数台，同时也无需关心这 5 台 redis 的主从关系了

如下图所示：

我们通过 redsync 源码来学习 redlock，是如何实现的：

通过 select 实现超时控制
核心代码是 actOnPoolsAsync 方法
- pools：表示向多台 redis 写入
- async：表示异步写入多台 redis，同步写入的话，效率偏低，使用 goroutine（具体可以查看下面 actOnPoolsAsync 方法的分析）
判断是否拿到锁
- 如果拿到锁，更新 m.value 和 m.until
- 如果没有拿到锁，需要释放已经写入的 redis 的 key

func (m *Mutex) LockContext(ctx context.Context) error {
  if ctx == nil {
    ctx = context.Background()
  }
  value, err := m.genValueFunc()
  if err != nil {
    return err
  }
  // 如果没有拿到锁，等待一段时间在去拿
  for i := 0; i < m.tries; i++ {
    if i != 0 {
      // 使用 select 实现超时控制
      select {
      case <-ctx.Done():
        return ErrFailed
      case <-time.After(m.delayFunc(i)):
      }
    }
    // 记录拿锁开始时间
    start := time.Now()
    n, err := func() (int, error) {
      ctx, cancel := context.WithTimeout(ctx, time.Duration(int64(float64(m.expiry)*m.timeoutFactor)))
      defer cancel()
      // 异步写入多台 redis
      return m.actOnPoolsAsync(func(pool redis.Pool) (bool, error) {
        return m.acquire(ctx, pool, value)
      })
    }()
    // 记录拿锁结束时间
    now := time.Now()
    // 计算还剩多少时间：过期时间 - 拿锁花费的时间 - 时间偏移
    // 这段代码是为了防止 `redis` 节点时间不同步，导致锁过期时间不准确，所以在过期时间上加上一个 `driftFactor`，这个值是 `0.01`，也就是 `1%` 的误差
    until := now.Add(m.expiry - now.Sub(start) - time.Duration(int64(float64(m.expiry)*m.driftFactor)))
    // 判断是否竞争成功
    if n >= m.quorum && now.Before(until) {
      m.value = value
      m.until = until
      return nil
    }
    // 如果竞争失败，释放已经写入的 redis 的 key
    func() (int, error) {
      ctx, cancel := context.WithTimeout(ctx, time.Duration(int64(float64(m.expiry)*m.timeoutFactor)))
      defer cancel()
      return m.actOnPoolsAsync(func(pool redis.Pool) (bool, error) {
        return m.release(ctx, pool, value)
      })
    }()
    if i == m.tries-1 && err != nil {
      return err
    }
  }
  return ErrFailed
}

为什么要使用异步写入多台 redis 呢？

如果采用同步写入的多台的话，如果写入的 redis 比较多，就会很耗时，可能写到最后一台 redis 时，前面的 redis 已经过期了，这样就会出现问题

启用 goroutine 去写入的话，可以一瞬间都拿到 lock，调用 setnx 方法去写入

然后再统计成功写入的台数，返回出去

func (m *Mutex) actOnPoolsAsync(actFn func(redis.Pool) (bool, error)) (int, error) {
  type result struct {
    Node   int
    Status bool  // 成功写入的台数
    Err    error // 未成功写入的错误
  }
  // 启用 goroutine 去调用 setnx 写入
  // 用 channel 来接收结果
  ch := make(chan result)
  for node, pool := range m.pools {
    go func(node int, pool redis.Pool) {
      r := result{Node: node}
      r.Status, r.Err = actFn(pool)
      ch <- r
    }(node, pool)
  }
  n := 0
  var taken []int
  var err error
  for range m.pools {
    r := <-ch
    // 写入成功，n++；写入失败，记录错误
    if r.Status {
      n++
    } else if r.Err != nil {
      err = multierror.Append(err, &RedisError{Node: r.Node, Err: r.Err})
    } else {
      taken = append(taken, r.Node)
      err = multierror.Append(err, &ErrNodeTaken{Node: r.Node})
    }
  }
  // 将写入的台数和错误返回出去
  if len(taken) >= m.quorum {
    return n, &ErrTaken{Nodes: taken}
  }
  return n, err
}

总结

分布式锁的实现需要考虑的问题：

原子性(互斥性)：锁只能被一个服务持有
- 使用 setnx 命令，将 set 和 get 变成原子性
- 使用 lua 脚本
死锁：设置过期时间，防止服务挂了变成死锁
- 续期操作需要保证原子性，使用 lua 脚本
安全性：锁只能被持有该锁的服务删除，不能被其他服务删除
- 在 setnx 的时候，给 key 设置一个唯一的值
redlock：解决多台 redis 同步问题
- 一个服务同时向多台 redis 设置 lock
- 哪个服务向大多数 redis 写入成功，控制权就交给哪个服务