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Redisson–红锁(Redlock)–使用/原理

简介

说明

本文介绍为什么要使用Redis的红锁(Redlock)、什么是Redis的红锁以及Redis红锁的原理。

本文用Redisson来介绍Redis红锁的用法。

Redisson 高版本会根据redisClient的模式来决定getLock返回的锁类型,如果集群模式,满足红锁的条件,则会直接返回红锁。

官网

REDIS distlock — Redis中国用户组(CRUG)

为什么使用Redis的红锁

主从结构分布式锁的问题

实现Redis分布式锁的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。当客户端释放资源(解锁)的时候,会删除掉这个key。

从表面上看似乎效果不错,但有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。但这通常是行不通的。这样做,我们不能实现资源的独享,因为Redis的主从同步通常是异步的。

在这种场景(主从结构)中存在明显的竞态:

  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从新的master获取到锁
    1. 这个锁对应的资源之前已经被客户端A已经获取到了。安全失效!

有时候程序就是这么巧,比如说正好一个节点挂掉的时候,多个客户端同时取到了锁。如果你可以接受这种小概率错误,那用这个基于复制的方案就完全没有问题。否则的话,我们建议你实现下面描述的解决方案。

解决方案:使用红锁

简介

Redis中针对此种情况,引入了红锁的概念。红锁采用主节点过半机制,即获取锁或者释放锁成功的标志为:在过半的节点上操作成功。

原理

在Redis的分布式环境中,我们假设有N个Redis master。这些节点完全互相独立,不存在主从复制或者其他集群协调机制。之前我们已经描述了在Redis单实例下怎么安全地获取和释放锁。我们确保将在每(N)个实例上使用此方法获取和释放锁。在这个样例中,我们假设有5个Redis master节点,这是一个比较合理的设置,所以我们需要在5台机器上面或者5台虚拟机上面运行这些实例,这样保证他们不会同时都宕掉。

为了取到锁,客户端应该执行以下操作:

  1. 获取当前Unix时间,以毫秒为单位。
  2. 依次尝试从N个实例,使用相同的key和随机值获取锁。
    1. 向Redis设置锁时,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。
    2. 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。这样可以避免服务器端Redis已经挂掉的情况下,客户端还在死死地等待响应结果。如果服务器端没有在规定时间内响应,客户端应该尽快尝试另外一个Redis实例。
  3. 客户端使用当前时间减去开始获取锁时间(步骤1记录的时间)得到获取锁使用的时间。
    1. 仅当从大多数(这里是3个节点)的Redis节点都取到锁,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的真正有效时间等于有效时间减去获取锁所使用的时间(步骤3计算的结果)。
  5. 如果因为某些原因,获取锁失败(没有在至少N/2+1个Redis实例取到锁或者取锁时间已经超过了有效时间),客户端应该在所有的Redis实例上进行解锁(即便某些Redis实例根本就没有加锁成功)。

Redisson红锁实例

官网

 官方github:8. 分布式锁和同步器 · redisson/redisson Wik

基于Redis的Redisson红锁RedissonRedLock对象实现了Redlock介绍的加锁算法。该对象也可以用来将多个RLock对象关联为一个红锁,每个RLock对象实例可以来自于不同的Redisson实例。

RLock lock1 = redissonInstance1.getLock("lock1");
RLock lock2 = redissonInstance2.getLock("lock2");
RLock lock3 = redissonInstance3.getLock("lock3");

RedissonRedLock lock = new RedissonRedLock(lock1, lock2, lock3);
// 同时加锁:lock1 lock2 lock3
// 红锁在大部分节点上加锁成功就算成功。
lock.lock();
...
lock.unlock();

大家都知道,如果负责储存某些分布式锁的某些Redis节点宕机以后,而且这些锁正好处于锁住的状态时,这些锁会出现锁死的状态。因此,Redisson给锁设置有效期,避免长时间锁定。但是,有了有效期后,若方法长时间还没执行完,锁就失效了。为了避免这种情况的发生,Redisson内部提供了一个监控锁的看门狗,它的作用是在Redisson实例被关闭前,不断的延长锁的有效期。默认情况下,看门狗的检查锁的超时时间是30秒钟,也可以通过修改Config.lockWatchdogTimeout来另行指定。

另外Redisson还通过加锁的方法提供了leaseTime的参数来指定加锁的时间。超过这个时间后锁便自动解开了。

RedissonRedLock lock = new RedissonRedLock(lock1, lock2, lock3);
// 给lock1,lock2,lock3加锁,如果没有手动解开的话,10秒钟后将会自动解开
lock.lock(10, TimeUnit.SECONDS);

// 为加锁等待100秒时间,并在加锁成功10秒钟后自动解开
boolean res = lock.tryLock(100, 10, TimeUnit.SECONDS);
...
lock.unlock();

Redisson红锁原理

RedissonRedLock extends RedissonMultiLock,所以实际上,redLock.tryLock实际调用:org.redisson.RedissonMultiLock.java#tryLock(),进而调用到其同类的tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit) ,入参为:tryLock(-1, -1, null)

org.redisson.RedissonMultiLock.java#tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit)源码如下:

final List<RLock> locks = new ArrayList<>();

/**
 * Creates instance with multiple {@link RLock} objects.
 * Each RLock object could be created by own Redisson instance.
 *
 * @param locks - array of locks
 */
public RedissonMultiLock(RLock... locks) {
	if (locks.length == 0) {
		throw new IllegalArgumentException("Lock objects are not defined");
	}
	this.locks.addAll(Arrays.asList(locks));
}

public boolean tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    long newLeaseTime = -1;
    if (leaseTime != -1) {
        newLeaseTime = unit.toMillis(waitTime)*2;
    }
    
    long time = System.currentTimeMillis();
    long remainTime = -1;
    if (waitTime != -1) {
        remainTime = unit.toMillis(waitTime);
    }
    long lockWaitTime = calcLockWaitTime(remainTime);
    /**
     * 1. 允许加锁失败节点个数限制(N-(N/2+1))
     */
    int failedLocksLimit = failedLocksLimit();
    /**
     * 2. 遍历所有节点通过EVAL命令执行lua加锁
     */
    List<RLock> acquiredLocks = new ArrayList<>(locks.size());
    for (ListIterator<RLock> iterator = locks.listIterator(); iterator.hasNext();) {
        RLock lock = iterator.next();
        boolean lockAcquired;
        /**
         *  3.对节点尝试加锁
         */
        try {
            if (waitTime == -1 && leaseTime == -1) {
                lockAcquired = lock.tryLock();
            } else {
                long awaitTime = Math.min(lockWaitTime, remainTime);
                lockAcquired = lock.tryLock(awaitTime, newLeaseTime, TimeUnit.MILLISECONDS);
            }
        } catch (RedisResponseTimeoutException e) {
            // 如果抛出这类异常,为了防止加锁成功,但是响应失败,需要解锁所有节点
            unlockInner(Arrays.asList(lock));
            lockAcquired = false;
        } catch (Exception e) {
            // 抛出异常表示获取锁失败
            lockAcquired = false;
        }
        
        if (lockAcquired) {
            /**
             *4. 如果获取到锁则添加到已获取锁集合中
             */
            acquiredLocks.add(lock);
        } else {
            /**
             * 5. 计算已经申请锁失败的节点是否已经到达 允许加锁失败节点个数限制 (N-(N/2+1))
             * 如果已经到达, 就认定最终申请锁失败,则没有必要继续从后面的节点申请了
             * 因为 Redlock 算法要求至少N/2+1 个节点都加锁成功,才算最终的锁申请成功
             */
            if (locks.size() - acquiredLocks.size() == failedLocksLimit()) {
                break;
            }

            if (failedLocksLimit == 0) {
                unlockInner(acquiredLocks);
                if (waitTime == -1 && leaseTime == -1) {
                    return false;
                }
                failedLocksLimit = failedLocksLimit();
                acquiredLocks.clear();
                // reset iterator
                while (iterator.hasPrevious()) {
                    iterator.previous();
                }
            } else {
                failedLocksLimit--;
            }
        }

        /**
         * 6.计算 目前从各个节点获取锁已经消耗的总时间,如果已经等于最大等待时间,则认定最终申请锁失败,返回false
         */
        if (remainTime != -1) {
            remainTime -= System.currentTimeMillis() - time;
            time = System.currentTimeMillis();
            if (remainTime <= 0) {
                unlockInner(acquiredLocks);
                return false;
            }
        }
    }

    if (leaseTime != -1) {
        List<RFuture<Boolean>> futures = new ArrayList<>(acquiredLocks.size());
        for (RLock rLock : acquiredLocks) {
            RFuture<Boolean> future = ((RedissonLock) rLock).expireAsync(unit.toMillis(leaseTime), TimeUnit.MILLISECONDS);
            futures.add(future);
        }
        
        for (RFuture<Boolean> rFuture : futures) {
            rFuture.syncUninterruptibly();
        }
    }

    /**
     * 7.如果逻辑正常执行完则认为最终申请锁成功,返回true
     */
    return true;
}
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