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012：Redis分布式锁

Redis 执行 分布式 分布式
2023-03-15 22:05:18 时间

为什么：

分布式应用进行逻辑处理时经常会遇到并发问题。

比如一个操作要修改用户的状态，修改状态需要先读出用户的状态，在内存里进行修 改，改完了再存回去。如果这样的操作同时进行了，就会出现并发问题，因为读取和保存状态这两个操作不是原子的。（Wiki 解释：所谓 原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch 线程切换。）

这个时候就要使用到分布式锁来限制程序的并发执行。Redis 分布式锁使用非常广泛， 它是面试的重要考点之一，很多同学都知道这个知识，也大致知道分布式锁的原理，但是具体到细节的使用上往往并不完全正确。

是什么：

分布式锁本质上要实现的目标就是在 Redis 里面占一个“茅坑”，当别的进程也要来占 时，发现已经有人蹲在那里了，就只好放弃或者稍后再试。 占坑一般是使用 setnx(set if not exists) 指令，只允许被一个客户端占坑。先来先占， 用 完了，再调用 del 指令释放茅坑。

// 这里的冒号:就是一个普通的字符，没特别含义，它可以是任意其它字符，不要误解
> setnx lock:codehole true
OK
... do something critical ...
> del lock:codehole
(integer) 1

但是有个问题，如果逻辑执行到中间出现异常了，可能会导致 del 指令没有被调用，这样就会陷入死锁，锁永远得不到释放。 于是我们在拿到锁之后，再给锁加上一个过期时间，比如 5s，这样即使中间出现异常也 可以保证 5 秒之后锁会自动释放。

> setnx lock:codehole true
OK
> expire lock:codehole 5
... do something critical ...
> del lock:codehole
(integer) 1

但是以上逻辑还有问题。如果在 setnx 和 expire 之间服务器进程突然挂掉了，可能是因 为机器掉电或者是被人为杀掉的，就会导致 expire 得不到执行，也会造成死锁。

这种问题的根源就在于 setnx 和 expire 是两条指令而不是原子指令。如果这两条指令可 以一起执行就不会出现问题。也许你会想到用 Redis 事务来解决。但是这里不行，因为 expire是依赖于 setnx 的执行结果的，如果 setnx 没抢到锁，expire 是不应该执行的。事务里没有 if-else 分支逻辑，事务的特点是一口气执行，要么全部执行要么一个都不执行。

为了解决这个疑难，Redis 开源社区涌现了一堆分布式锁的 library，专门用来解决这个问 题。实现方法极为复杂，小白用户一般要费很大的精力才可以搞懂。如果你需要使用分布式锁，意味着你不能仅仅使用 Jedis 或者 redis-py 就行了，还得引入分布式锁的 library。

为了治理这个乱象，作者加入了 set 指令的扩展参数，使得 setnx 和 expire 指令可以一起执行，彻底解决了分布式锁的乱象。从此以后所有的第三方分布式锁 library 可以休息了。

> set lock:codehole true ex 5 nx OK ... do something critical ... > del
lock:codehole

上面这个指令就是 setnx 和 expire 组合在一起的原子指令，它就是分布式锁的 奥义所在。

超时问题

Redis 的分布式锁不能解决超时问题，如果在加锁和释放锁之间的逻辑执行的太长，以至 于超出了锁的超时限制，就会出现问题。因为这时候锁过期了，第二个线程重新持有了这把锁，但是紧接着第一个线程执行完了业务逻辑，就把锁给释放了，第三个线程就会在第二个线程逻辑执行完之间拿到了锁。

为了避免这个问题，Redis 分布式锁不要用于较长时间的任务。如果真的偶尔出现了，数 据出现的小波错乱可能需要人工介入解决。

tag = random.nextint() # 随机数
if redis.set(key, tag, nx=True, ex=5):
do_something()
redis.delifequals(key, tag) # 假象的 delifequals 指令

有一个更加安全的方案是为 set 指令的 value 参数设置为一个随机数，释放锁时先匹配 随机数是否一致，然后再删除 key。但是匹配 value 和删除 key 不是一个原子操作，Redis 也没有提供类似于 delifequals 这样的指令，这就需要使用 Lua 脚本来处理了，因为 Lua 本可以保证连续多个指令的原子性执行。

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

可重入性

可重入性是指线程在持有锁的情况下再次请求加锁，如果一个锁支持同一个线程的多次加锁，那么这个锁就是可重入的。比如 Java 语言里有个 ReentrantLock 就是可重入锁。Redis 分布式锁如果要支持可重入，需要对客户端的 set 方法进行包装，使用线程的 Threadlocal 变量存储当前持有锁的计数。

# -*- coding: utf-8
import redis
import threading
locks = threading.local()
locks.redis = {}
def key_for(user_id):
return "account_{}".format(user_id)
def _lock(client, key):
return bool(client.set(key, True, nx=True, ex=5))
def _unlock(client, key):
client.delete(key)
def lock(client, user_id):
key = key_for(user_id)
if key in locks.redis:
locks.redis[key] += 1
return True
ok = _lock(client, key)
if not ok:
return False
locks.redis[key] = 1
return True
def unlock(client, user_id):
key = key_for(user_id)
if key in locks.redis:
locks.redis[key] -= 1


if locks.redis[key] <= 0:
del locks.redis[key]
return True
return False
client = redis.StrictRedis()
print "lock", lock(client, "codehole")
print "lock", lock(client, "codehole")
print "unlock", unlock(client, "codehole")
print "unlock", unlock(client, "codehole")

以上还不是可重入锁的全部，精确一点还需要考虑内存锁计数的过期时间，代码复杂度将 会继续升高。老钱不推荐使用可重入锁，它加重了客户端的复杂性，在编写业务方法时注意在 逻辑结构上进行调整完全可以不使用可重入锁。下面是 Java 版本的可重入锁。

public class RedisWithReentrantLock {
private ThreadLocal lockers = new ThreadLocal<>();
private Jedis jedis;
public RedisWithReentrantLock(Jedis jedis) {
this.jedis = jedis;
}
private boolean _lock(String key) {
return jedis.set(key, "", "nx", "ex", 5L) != null;
}
private void _unlock(String key) {
jedis.del(key);
}
private Map  currentLockers() {
Map  refs = lockers.get();
if (refs != null) {
return refs;
}
lockers.set(new HashMap<>());
return lockers.get();
}
public boolean lock(String key) {
Map refs = currentLockers();
Integer refCnt = refs.get(key);
if (refCnt != null) {
refs.put(key, refCnt + 1);

return true;
}
boolean ok = this._lock(key);
if (!ok) {
return false;
}
refs.put(key, 1);
return true;
}
public boolean unlock(String key) {
Map refs = currentLockers();
Integer refCnt = refs.get(key);
if (refCnt == null) {
return false;
}
refCnt -= 1;
if (refCnt > 0) {
refs.put(key, refCnt);
} else {
refs.remove(key);
this ._unlock(key);
}
return true;
}
public static void main(String[] args) {
Jedis jedis = new Jedis();
RedisWithReentrantLock redis = new RedisWithReentrantLock(jedis);
System.out.println(redis.lock("codehole"));
System.out.println(redis.lock("codehole"));
System.out.println(redis.unlock("codehole"));
System.out.println(redis.unlock("codehole"));
}
}

跟 Python 版本区别不大，也是基于 ThreadLocal 和引用计数。

Over

关于一个分布式锁的Redis面试问题：

例如：问你使用过Redis分布式锁么，它是什么回事？

答：先拿setnx来争抢锁，抢到之后，再用expire给锁加一个过期时间防止锁忘记了释放。 这时候对方会告诉你说你回答得不错，然后接着问如果在setnx之后执行expire之前进程意外crash或者要重启维护了，那会怎么样？

这时候你要给予惊讶的反馈：唉，是喔，这个锁就永远得不到释放了。紧接着你需要抓一抓自己得脑袋，故作思考片刻，好像接下来的结果是你主动思考出来的，然后回答：我记得set指令有非常复杂的参数，这个应该是可以同时把setnx和expire合成一条指令来用的！ 对方这时会显露笑容，心里开始默念：摁，这小子还不错。

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