Redis分布式锁实现方案

很多应用都利用Redis实现轻量级分布式锁，但大多数实现都存在一些问题。本文翻译Redis官网Distributed locks with Redis文档的核心内容，使大家快速了解Redis推荐的分布式锁实现方案。

分布式锁的基本特性

1. 安全属性（Safety property）: 独享（相互排斥）。在任意一个时刻，只有一个客户端持有锁。

2. 活性A(Liveness property A): 无死锁。即便持有锁的客户端崩溃（crashed)或者网络被分裂（gets partitioned)，锁仍然可以被获取。

3. 活性B(Liveness property B): 容错。 只要大部分Redis节点都活着，客户端就可以获取和释放锁。

常见实现及问题

常见实现

最简单的方法就是在Redis中创建一个key，这个key有一个失效时间（TTL)，以保证锁最终会被自动释放掉（这个对应特性2）。当客户端释放资源(解锁）的时候，会删除掉这个key。

问题

这个架构存在一个严重的单点失败问题。如果Redis挂了怎么办？你可能会说，可以通过增加一个slave节点解决这个问题。但这会导致上面特性1失效，因为Redis的主从同步通常是异步的，Redis是AP系统。

例如下面场景

1. 客户端A从master获取到锁
2. 在master将锁同步到slave之前，master宕掉了。
3. slave节点被晋级为master节点
4. 客户端B取得了同一个资源被客户端A已经获取到的另外一个锁。安全失效！

官网推荐实现

单Redis节点实现分布式锁

SET resource_name my_random_value NX PX 30000

resource_name - 锁的名字
my_random_value - 随机值，用来区分不同的客户端
NX - 当key不存在时才生产
PX - 自动失效时间

在释放锁的时候也需要提供my_random_value，只有一致才会删除锁，通过下面Lua脚本实现

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

这种方式可以避免删除别的客户端成功获取的锁

上面的实现在Redis单节点上能够很好地工作，但单节点不能提供高可用性。

Redis集群上实现分布式锁 - Redlock算法

针对N个相互独立的Master节点，采用上述的单节点方式获取或释放锁。

客户端操作步骤

1. 获取当前系统时间，以毫秒为单位。

2. 依次尝试从N个节点（例如5个），使用相同的key和随机值获取锁。此步骤中，客户端应该设置一个网络连接和响应超时时间，这个超时时间应该小于锁的失效时间。例如你的锁自动失效时间为10秒，则超时时间应该在5-50毫秒之间。这样可以避免在Redis节点已经挂掉的情况下，客户端一直等待响应结果。如果一个节点没有响应，客户端应该尽快尝试下一个Redis节点。

3. 客户端使用当前时间减去开始获取锁时间（步骤1的时间）就得到获取锁的使用时间。当且仅当至少从N/2+1（例如3个）的节点都取到锁，并且使用的时间小于锁失效时间时，锁才算获取成功。

4. 如果取到了锁，key的真正有效使用时间就是步骤3计算的时间。

5. 如果获取锁失败（没有在至少N/2+1个节点上取到锁或者有效时间为负），客户端应该在所有的Redis节点上进行解锁（即便某些节点根本就没有加锁成功）。

算法要点

时钟同步

算法基于这样一个假设：虽然多个节点之间没有时钟同步，但每个节点都以相同的时钟频率前进，它们的时间差相对于失效时间来说几乎可以忽略不计。这和现实世界非常接近：每个计算机都有一个本地时钟，我们可以容忍多个计算机之间有较小的时钟漂移。

这里，要再次强调互斥规则：只有在锁的有效使用时间（步骤3计算的结果）范围内客户端能够做完它的工作，锁的安全性才能得到保证（锁的实际有效使用时间通常要短一些，因为计算机之间有时钟漂移的现象）。

失败重试

当客户端无法取到锁时，应该在一个随机延迟后重试, 以防止多个客户端在同时抢夺同一节点的锁（这样会导致脑裂，没有人会取到锁）。同样，客户端取得大部分节点的锁所花费的时间越短，脑裂出现的概率就会越低（必要的重试），所以，理想情况下，客户端应该同时（并发地）向所有节点发送SET命令。

需要强调，当客户端从大多数Redis节点获取锁失败时，应该尽快地释放（部分）已经成功取到的锁，这样其他的客户端就不必非得等到锁失效后才能取到（然而，如果发生脑裂，客户端无法和部分Redis节点通信，此时就只能等待锁自动释放，等于被惩罚了）。

释放锁

释放锁比较简单，向所有的Redis节点发送释放锁命令即可，不用考虑之前在哪些节点上获取过锁.

算法分析

Redlock算法可以满足前面提到的3个基本特性

1. 安全属性

任意时刻，只有一个客户端可以获得N/2+1个节点上的锁，假设有个客户端满足这个条件，其开始时间为T1向第一个节点发送SET命令前的时间，结束时间为T2得到第N/2+1个节点响应的时间，锁自动释放时间为TTL，节点间时钟漂移时间为CLOCK_DRIFT则其获取锁的有效使用时间至少为TTL-(T2-T1)-CLOCK_DRIFT，在此时间内，这N/2+1个节点上的锁都不会释放，也就不会有其它客户端能够获得N/2+1个节点的锁。同时如果其它客户端在超过此时间获取到了足够多的锁，但总时间势必超过TTL（因为需要至少一个节点上的锁被前一个客户端释放），根据算法认为锁失效，需要释放所有的锁。

2. 活性A无死锁

客户端如果获取到锁，使用完会主动释放，如果没有获取到锁，会立刻释放占有的锁。另外，锁上设有自动过期是时间TTL，即使客户端崩溃或者脑裂，TTL到期后也会释放。

3. 活性B容错

只要大多数节点工作，客户端就有可能获得锁，但会增大冲突的可能性。为此，要求客户端失败时，需要等待一个大约正常获取锁的随机时间，以最大限度的避免死锁冲突。

节点崩溃恢复

上面步骤存在一个问题，如果某个获得锁的节点突然崩溃，并且此时客户端获得的锁还没有同步到文件上，那么当节点恢复时，就会丢失锁数据。这就会导致其它客户端可能获取锁。

这个问题可以通过配置AOF为fsync=always解决，但这样会完全破坏Redis的性能。推荐通过延迟重启的方式解决，当一个Redis节点重启后，在一个TTL时间内，对客户端不可用，这样就可以保证满足安全属性。

锁扩展

建议将自动释放时间TTL设置短一些，根据上面的分析，这样可以在集群异常时，更快地释放锁，重新提供服务。对于运行时间比较长的客户端，可以采用锁扩展技术，即当剩余有效使用时间很少时，重新向所有节点发送一个Lua脚本，延长TTL，这个操作也需要在大多数节点（N/2+1）上成功，并且是在有效时间内再次获取到锁。由于此时，此客户端持有大多数节点的锁，不会发生锁竞争，应该很快成功。这个方法的一个弊端是，导致某个客户端长时间占有锁，导致其它客户端无法成功取得锁，需要根据实际情况判断使用。