Redis分布式鎖服務(八)

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閱讀目錄：

1. 概述
2. 分布式鎖
3. 多執行個體分布式鎖
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用資源。比如：

object obj = new object();lock (obj) { //操作共用資源 }

利用作業系統提供的鎖機制，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機器的共用資源時，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，只有一個用戶端能持有鎖。
• 活躍性A：沒有死結，即使用戶端在持有鎖的時候崩潰，最後也會有其他用戶端能獲得鎖，逾時機制。
• 活躍性B：故障容忍，只有大多數Redis節點時存活的，用戶端仍可以獲得鎖和釋放鎖。

分布式鎖

由於Redis是單執行緒模式，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 timeoutSET 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定key的到期時間，這裡是30000ms。 設定到期時間是防止獲得鎖的用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，造成死結。
Key的值需要在所有請求鎖服務的用戶端中，確保是個唯一值。 這是為了保證拿到鎖的用戶端能安全釋放鎖，防止這個鎖對象被其他用戶端刪除。
舉個例子：

1. A用戶端拿到對象鎖，但在因為一些原因被阻塞導致無法及時釋放鎖。
2. 因為到期時間已到，Redis中的鎖對象被刪除。
3. B用戶端請求擷取鎖成功。
4. A用戶端此時阻塞操作完成，刪除key釋放鎖。
5. C用戶端請求擷取鎖成功。
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，只有拿到鎖的用戶端才能進行刪除。 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用戶端傳過來的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指令碼來完成：

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

邏輯很簡單，擷取key中的值和參數中的值相比較，相等刪除，不相等返回0。

多執行個體分布式鎖

上面是在單個Redis執行個體實現分布式鎖的，這存在一個問題就是，如果這台執行個體因某些原因崩潰掉，那麼所有用戶端的鎖服務全部失效。
Redis本身支援Master-Slave結構，可以一主多從，採用高可用方法，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非同步同步資料的，所以redis並不能完全的實現鎖的安全性。 舉個例子來說：

1. A用戶端在master執行個體上獲得一個鎖。
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用戶端可以擷取到同個key的鎖，但A也已經拿到鎖，導致鎖失效。

在多台master情況下實現這個演算法，並保證鎖的安全性。 步驟如下：

1. 用戶端以毫秒為單位擷取目前時間。
2. 使用同樣key和值，迴圈在多個執行個體中獲得鎖。 為了獲得鎖，用戶端應該設定個位移時間，它小於鎖自動釋放時間(即key的到期時間)。 舉個例子來說，如果一個鎖自動釋放時間是10秒，那位移時間應該設定在5~50毫秒的範圍。 防止因為某個執行個體崩潰掉或其他原因，導致client在擷取鎖時耗時過長。
3. 計算擷取所有鎖的耗時，即目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，在減去位移時間，得到c值，如果擷取鎖成功的執行個體數量大於實際的數量一半，並且c大於0，那麼鎖就被擷取成功。
4. 鎖擷取成功，鎖對象的有效時間是上面的c值。
5. 若是用戶端因為一些原因擷取失敗，原因可能是上面的c值為負數或者鎖成功的數量小於執行個體數，以用N/2+1當標準(N為執行個體數)。 那麼會釋放所有執行個體上的鎖。

上面描述可能不方便理解，用代碼錶示如下：

//鎖自動釋放時間TimeSpan ttl=new TimeSpan(0,0,0,30000)//擷取鎖成功的數量 int n = 0; //記錄開始時間 var startTime = DateTime.Now;  //在每個執行個體上擷取鎖                for_each_redis(                    redis =>                    {                        if (LockInstance(redis, resource, val, ttl)) n += 1;                    }                );//位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-(目前時間-開始時間)-位移時間 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用戶端組件上是直接支援鎖實現的。
或者用stackexchange用戶端組件，鎖實現及範例程式碼：https://github.com/kidfashion/redlock-cs。
官方介紹文檔：http://redis.io/topics/distlock。

http://www.cnblogs.com/mushroom/p/4752499.html

Redis分布式鎖服務(八)