Redis分布式鎖服務(八)

閱讀目錄：

1. 概述
2. 分布式鎖
3. 多實例分布式鎖
4. 總結

概述

在多線程環境下，通常會使用鎖來保證有且只有一個線程來操作共享資源。比如：

object obj = new object();
lock (obj) 
{ 
//操作共享資源 
}

利用操作系統提供的鎖機制，可以確保多線程或多進程下的並發唯一操作。但如果在多機環境下就不能滿足了，當A，B兩台機器同時操作C機器的共享資源時，就需要第三方的鎖機制來保證在分布式環境下的資源協調，也稱分布式鎖。

Redis有三個最基本屬性來保證分布式鎖的有效實現：

• 安全性： 互斥，在任何時候，只有一個客戶端能持有鎖。
• 活躍性A：沒有死鎖，即使客戶端在持有鎖的時候崩潰，最后也會有其他客戶端能獲得鎖，超時機制。
• 活躍性B：故障容忍，只有大多數Redis節點時存活的，客戶端仍可以獲得鎖和釋放鎖。

分布式鎖

由於Redis是單線程模型，命令操作原子性，所以利用這個特性可以很容易的實現分布式鎖。 獲得一個鎖

SET key uuid NX PX timeout
SET resource_name uniqueVal NX PX 30000

命令中的NX表示如果key不存在就添加，存在則直接返回。PX表示以毫秒為單位設置key的過期時間，這里是30000ms。 設置過期時間是防止獲得鎖的客戶端突然崩潰掉或其他異常情況，導致redis中的對象鎖一直無法釋放，造成死鎖。
Key的值需要在所有請求鎖服務的客戶端中，確保是個唯一值。 這是為了保證拿到鎖的客戶端能安全釋放鎖，防止這個鎖對象被其他客戶端刪除。
舉個例子：

1. A客戶端拿到對象鎖，但在因為一些原因被阻塞導致無法及時釋放鎖。
2. 因為過期時間已到，Redis中的鎖對象被刪除。
3. B客戶端請求獲取鎖成功。
4. A客戶端此時阻塞操作完成，刪除key釋放鎖。
5. C客戶端請求獲取鎖成功。
6. 這時B、C都拿到了鎖，因此分布式鎖失效。

要避免例子中的情況發生，就要保證key的值是唯一的，只有拿到鎖的客戶端才能進行刪除。 基於這個原因，普通的del命令是不能滿足要求的，我們需要一個能判斷客戶端傳過來的value和鎖對象的value是否一樣的命令。遺憾的是Redis並沒有這樣的命令，但可以通過Lua腳本來完成：

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

邏輯很簡單，獲取key中的值和參數中的值相比較，相等刪除，不相等返回0。

多實例分布式鎖

上面是在單個Redis實例實現分布式鎖的，這存在一個問題就是，如果這台實例因某些原因崩潰掉，那么所有客戶端的鎖服務全部失效。
Redis本身支持Master-Slave結構，可以一主多從，采用高可用方法，可以保證在master掛的時候自動切換到slave。 但是由於主從之間是異步同步數據的，所以redis並不能完全的實現鎖的安全性。 舉個例子來說：

1. A客戶端在master實例上獲得一個鎖。
2. 在對象鎖key傳送到slave之前，master崩潰掉。
3. 一個slave被選舉成master。
4. B客戶端可以獲取到同個key的鎖，但A也已經拿到鎖，導致鎖失效。

在多台master情況下實現這個算法，並保證鎖的安全性。 步驟如下：

1. 客戶端以毫秒為單位獲取當前時間。
2. 使用同樣key和值，循環在多個實例中獲得鎖。 為了獲得鎖，客戶端應該設置個偏移時間，它小於鎖自動釋放時間(即key的過期時間)。 舉個例子來說，如果一個鎖自動釋放時間是10秒，那偏移時間應該設置在5~50毫秒的范圍。 防止因為某個實例崩潰掉或其他原因，導致client在獲取鎖時耗時過長。
3. 計算獲取所有鎖的耗時，即當前時間減去開始時間，得到a值。 用鎖自動釋放時間減去a值，在減去偏移時間，得到c值，如果獲取鎖成功的實例數量大於實際的數量一半，並且c大於0，那么鎖就被獲取成功。
4. 鎖獲取成功，鎖對象的有效時間是上面的c值。
5. 若是客戶端因為一些原因獲取失敗，原因可能是上面的c值為負數或者鎖成功的數量小於實例數，以用N/2+1當標准(N為實例數)。 那么會釋放所有實例上的鎖。

上面描述可能不方便理解，用代碼表示如下：

//鎖自動釋放時間
TimeSpan ttl=new TimeSpan(0,0,0,30000)
//獲取鎖成功的數量
 int n = 0; 
//記錄開始時間
 var startTime = DateTime.Now;

  //在每個實例上獲取鎖
                for_each_redis(
                    redis =>
                    {
                        if (LockInstance(redis, resource, val, ttl)) n += 1;
                    }
                );

//偏移時間是鎖自動釋放時間的1%，根據上面10s是5-50毫秒推出。
 var drift = Convert.ToInt32(ttl.TotalMilliseconds * 0.01); 

//鎖對象的有效時間=鎖自動釋放時間-(當前時間-開始時間)-偏移時間
 var validity_time = ttl - (DateTime.Now - startTime) - new TimeSpan(0, 0, 0, 0, drift);

//判斷成功的數量和有效時間c值是否大於0 if (n >= (N/2+1) && validity_time.TotalMilliseconds > 0) { }

總結

用Redis做分布式鎖相比其他分布式鎖(zookeeper)實現更簡單，速度更快。
在ServiceStack.Redis客戶端組件上是直接支持鎖實現的。
或者用stackexchange客戶端組件，鎖實現及示例代碼：https://github.com/kidfashion/redlock-cs。
官方介紹文檔：http://redis.io/topics/distlock。