Redis分布式锁的原理和实现

时间：03-16来源：作者：点击数：50

前言

我们之前聊过redis的，对基础不了解的可以移步查看一下：

几分钟搞定redis存储session共享——设计实现：https://www.cdsy.xyz/computer/soft/database/redis/230316/cd41544.html

【原创】详细案例解剖——浅谈Redis缓存的常用5种方式（String，Hash，List，set，SetSorted ）：https://www.cdsy.xyz/computer/soft/database/redis/230316/cd41543.html

对同一个资源进行操作，单一的缓存读取没问题了，但是存在并发的时候怎么办呢，为了避免数据不一致，我们需要在操作共享资源之前进行加锁操作。

我们在开发很多业务场景会使用到锁，例如库存控制，抽奖，秒杀等。一般我们会使用内存锁的方式来保证线性的执行。

但现在大多站点都会使用分布式部署，那多台服务器间的就必须使用同一个目标来判断锁。分布式与单机情况下最大的不同在于其不是多线程而是多进程。

图1：分布式站点使用内存锁

图2：分布式站点使用分布式锁

当然我们暂时用不了这么复杂的场景，我们就简单访问redis就行。

设计（悲观锁/乐观锁）

悲观锁方式（认为操作的时候，会出现问题，所以都加锁）

悲观锁(Pessimistic Lock), 顾名思义，就是很悲观，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，

所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会block直到它拿到锁。

传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。

乐观锁方式（认为什么时候不会出问题，所以不上锁，更新的时候去查询判断一下，再此期间是否有人修改过这个数据。）

乐观锁(Optimistic Lock), 顾名思义，就是很乐观，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，

所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，可以使用版本号等机制。

乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，像数据库如果提供类似于write_condition机制的其实都是提供的乐观锁。

　　两种锁各有优缺点，不可认为一种好于另一种，像乐观锁适用于写比较少的情况下，即冲突真的很少发生的时候，这样可以省去了锁的开销，

加大了系统的整个吞吐量。但如果经常产生冲突，上层应用会不断的进行retry，这样反倒是降低了性能，所以这种情况下用悲观锁就比较合适。

Redis三个命令

1、SETNX

SETNX key value：当且仅当key不存在时，set一个key为val的字符串，返回1；若key存在，则什么都不做，返回0。

2、expire

expire key timeout：为key设置一个超时时间，单位为second，超过这个时间锁会自动释放，避免死锁。

3、delete

delete key：删除key

在使用Redis实现分布式锁的时候，主要就会使用到这三个命令。

命题：某商品进行库存秒杀。

假设要给某个商品举行秒杀活动，我们事先把库存数据100已经存入到了redis中，我们现在需要来进行库存扣减。

　　　　　　　　　　　　图3：加锁请求示意图

代码实现

我们基于ServiceStack.Redis操作

我们创建一个控制台应用(.NET Framework)，命名为RedisLock,注意，如果创建的是net core的应用，引入的ServiceStack.Redis就要选择core的。

然后在NuGet里面安装ServiceStack.Redis。

Redis连接池

       //Redis连接池（配置连接地址，读写连接地址等）
        public static PooledRedisClientManager RedisClientPool = CreateManager();
        private static PooledRedisClientManager CreateManager()
        {
            //写节点(主节点)
            List<string> writes = new List<string>();
            writes.Add("10.17.3.97:6379");  
            //读节点
            List<string> reads = new List<string>();
            reads.Add("10.17.3.97:6379");

            //配置连接池和读写分类
            return new PooledRedisClientManager(writes, reads, new RedisClientManagerConfig()
            {
                MaxReadPoolSize = 50, //读节点个数
                MaxWritePoolSize = 50,//写节点个数
                AutoStart = true,
                DefaultDb = 0
            });
        }

使用Redis的SetNX命令实现加锁

        /// <summary>
        /// 加锁（使用Redis的SetNX命令实现加锁）
        /// </summary>
        /// <param name="key">锁key</param>
        /// <param name="selfMark">自己标记</param>
        /// <param name="lockExpirySeconds">锁自动过期时间[默认10]（s）</param>
        /// <param name="waitLockMilliseconds">等待锁时间（ms）</param>
        /// <returns></returns>
        public static bool Lock(string key, out string selfMark, int lockExpirySeconds = 10, long waitLockMilliseconds = long.MaxValue)
        {
            DateTime begin = DateTime.Now;
            selfMark = Guid.NewGuid().ToString("N");//自己标记,释放锁时会用到,自己加的锁除非过期否则只能自己打开
            using (RedisClient redisClient = (RedisClient)RedisClientPool.GetClient())
            {
                
                string lockKey = "Lock:" + key;
                while (true)
                {
                    string script = string.Format("if redis.call('SETNX', KEYS[1], ARGV[1]) == 1 then redis.call('PEXPIRE',KEYS[1],{0}) return 1 else return 0 end", lockExpirySeconds * 1000);
                    //循环获取取锁
                    if (redisClient.ExecLuaAsInt(script, new[] { lockKey }, new[] { selfMark }) == 1)
                    {
                        return true;
                    }

                    //不等待锁则返回
                    if (waitLockMilliseconds == 0)
                    {
                        break;
                    }

                    //超过等待时间，则不再等待
                    if ((DateTime.Now - begin).TotalMilliseconds >= waitLockMilliseconds)
                    {
                        break;
                    }
                    Thread.Sleep(100);
                }

                return false;
            }
        }

因为ServiceStack.Redis提供的SetNX方法，并没有提供设置过期时间的方法，对于加锁业务又不能分开执行(如果加锁成功设置过期时间失败导致的永久死锁问题)，所以就使用脚本实现，解决了异常情况死锁问题.

如果设置为0，为乐观锁机制，获取不到锁，直接返回未获取到锁.

默认值为long最大值，为悲观锁机制，约等于很多很多天，可以理解为一直等待.

释放锁

　　　　 /// <summary>
        /// 释放锁
        /// </summary>
        /// <param name="key">锁key</param>
        /// <param name="selfMark">自己标记</param>
        public static void UnLock(string key, string selfMark)
        {
            using (RedisClient redisClient = (RedisClient)RedisClientPool.GetClient())
            {
                string lockKey = "Lock:" + key;
                var script = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
                redisClient.ExecLuaAsString(script, new[] { lockKey }, new[] { selfMark });
            }
        }

业务调用（我们使用多线程模拟多用户秒杀的场景）

//业务：悲观锁方式
        public static void PessimisticLock()
        {
            int num = 10;  //总数量
            string lockkey = "xianseng";

            Console.WriteLine("我是【悲观锁】");

            //悲观锁开启20个人同时拿宝贝
            for (int i = 0; i < 20; i++)
            {
                Task.Run(() =>
                {
                    string selfmark = ""; 
                    try
                    {
                        if (Lock(lockkey, out selfmark))
                        {
                            if (num > 0)
                            {
                                num--;
                                Console.WriteLine($"我拿到了宝贝：宝贝剩余{num}个\t\t{selfmark}");
                            }
                            else
                            {
                                Console.WriteLine("宝贝已经没有了");
                            }
                            Thread.Sleep(100);
                        }
                    }
                    finally
                    {
                        UnLock(lockkey, selfmark);
                    }
                });
            }

            Console.ReadLine();
        }

        //业务：乐观锁方式
        public static void OptimisticLock()
        {
            int num = 10; //总数量
            string lockkey = "xianseng";

            Console.WriteLine("我是【乐观锁】");

            //乐观锁开启10个线程，每个线程拿5次
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                var lineOn = "线程" + (i + 1);
                Task.Run(() =>
                {
                    for (int j = 0; j < 5; j++)
                    {
                        string selfmark = "";
                        try
                        {
                            if (Lock(lockkey, out selfmark, 10, 0))
                            {
                                if (num > 0)
                                {
                                    num--;
                                    Console.WriteLine($"{lineOn} 第{(j+1)}次 我拿到了宝贝：宝贝剩余{num}个\t\t{selfmark}");
                                }
                                else
                                {
                                    Console.WriteLine($"{lineOn} 第{(j + 1)}次 宝贝已经没有了");
                                }

                                Thread.Sleep(1000);
                            }
                            else
                            {
                                Console.WriteLine($"{lineOn} 第{(j+1)}次 没有拿到，不想等了");
                            }
                        }
                        finally
                        {
                            UnLock(lockkey, selfmark);
                        }
                    }
                });
            }

            Console.ReadLine();
        }

然后在main函数里面调用查看展示效果

       static void Main(string[] args)
        {
            ////调用：悲观锁方式（认为我操作的时候，会出现问题，所以都加锁）
            PessimisticLock();

            ///调用：乐观锁方式（认为什么时候不会出问题，所以不上锁，更新的时候去查询判断一下，再此期间是否有人修改过这个数据。）
            //OptimisticLock();
        }