阅读目录:

  1. 概述
  2. 分布式锁
  3. 多实例分布式锁
  4. 总结

概述

在多线程环境下,通常会使用锁来保证有且只有一个线程来操作共享资源。比如:

object obj = new object();
lock (obj)
{
//操作共享资源
}

利用操作系统提供的锁机制,可以确保多线程或多进程下的并发唯一操作。但如果在多机环境下就不能满足了,当A,B两台机器同时操作C机器的共享资源时,就需要第三方的锁机制来保证在分布式环境下的资源协调,也称分布式锁。

Redis有三个最基本属性来保证分布式锁的有效实现:

  • 安全性: 互斥,在任何时候,只有一个客户端能持有锁。
  • 活跃性A:没有死锁,即使客户端在持有锁的时候崩溃,最后也会有其他客户端能获得锁,超时机制。
  • 活跃性B:故障容忍,只有大多数Redis节点时存活的,客户端仍可以获得锁和释放锁。

分布式锁

由于Redis是单线程模型,命令操作原子性,所以利用这个特性可以很容易的实现分布式锁。 获得一个锁

SET key uuid NX PX timeout
SET resource_name uniqueVal NX PX

命令中的NX表示如果key不存在就添加,存在则直接返回。PX表示以毫秒为单位设置key的过期时间,这里是30000ms。 设置过期时间是防止获得锁的客户端突然崩溃掉或其他异常情况,导致redis中的对象锁一直无法释放,造成死锁。
Key的值需要在所有请求锁服务的客户端中,确保是个唯一值。 这是为了保证拿到锁的客户端能安全释放锁,防止这个锁对象被其他客户端删除。
举个例子:

  1. A客户端拿到对象锁,但在因为一些原因被阻塞导致无法及时释放锁。
  2. 因为过期时间已到,Redis中的锁对象被删除。
  3. B客户端请求获取锁成功。
  4. A客户端此时阻塞操作完成,删除key释放锁。
  5. C客户端请求获取锁成功。
  6. 这时B、C都拿到了锁,因此分布式锁失效。

要避免例子中的情况发生,就要保证key的值是唯一的,只有拿到锁的客户端才能进行删除。 基于这个原因,普通的del命令是不能满足要求的,我们需要一个能判断客户端传过来的value和锁对象的value是否一样的命令。遗憾的是Redis并没有这样的命令,但可以通过Lua脚本来完成:

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

逻辑很简单,获取key中的值和参数中的值相比较,相等删除,不相等返回0。

多实例分布式锁

上面是在单个Redis实例实现分布式锁的,这存在一个问题就是,如果这台实例因某些原因崩溃掉,那么所有客户端的锁服务全部失效。
Redis本身支持Master-Slave结构,可以一主多从,采用高可用方法,可以保证在master挂的时候自动切换到slave。 但是由于主从之间是异步同步数据的,所以redis并不能完全的实现锁的安全性。
举个例子来说:

  1. A客户端在master实例上获得一个锁。
  2. 在对象锁key传送到slave之前,master崩溃掉。
  3. 一个slave被选举成master。
  4. B客户端可以获取到同个key的锁,但A也已经拿到锁,导致锁失效。

在多台master情况下实现这个算法,并保证锁的安全性。 步骤如下:

  1. 客户端以毫秒为单位获取当前时间。
  2. 使用同样key和值,循环在多个实例中获得锁。 为了获得锁,客户端应该设置个偏移时间,它小于锁自动释放时间(即key的过期时间)。 举个例子来说,如果一个锁自动释放时间是10秒,那偏移时间应该设置在5~50毫秒的范围。 防止因为某个实例崩溃掉或其他原因,导致client在获取锁时耗时过长。
  3. 计算获取所有锁的耗时,即当前时间减去开始时间,得到a值。 用锁自动释放时间减去a值,在减去偏移时间,得到c值,如果获取锁成功的实例数量大于实际的数量一半,并且c大于0,那么锁就被获取成功。
  4. 锁获取成功,锁对象的有效时间是上面的c值。
  5. 若是客户端因为一些原因获取失败,原因可能是上面的c值为负数或者锁成功的数量小于实例数,以用N/2+1当标准(N为实例数)。 那么会释放所有实例上的锁。

上面描述可能不方便理解,用代码表示如下:

//锁自动释放时间
TimeSpan ttl=new TimeSpan(,,,)
//获取锁成功的数量
int n = ;
//记录开始时间
var startTime = DateTime.Now; //在每个实例上获取锁
for_each_redis(
redis =>
{
if (LockInstance(redis, resource, val, ttl)) n += ;
}
); //偏移时间是锁自动释放时间的1%,根据上面10s是5-50毫秒推出。
var drift = Convert.ToInt32(ttl.TotalMilliseconds * 0.01); //锁对象的有效时间=锁自动释放时间-(当前时间-开始时间)-偏移时间
var validity_time = ttl - (DateTime.Now - startTime) - new TimeSpan(, , , , drift); //判断成功的数量和有效时间c值是否大于0 if (n >= (N/2+1) && validity_time.TotalMilliseconds > 0) { }

总结

用Redis做分布式锁相比其他分布式锁(zookeeper)实现更简单,速度更快。
在ServiceStack.Redis客户端组件上是直接支持锁实现的。
或者用stackexchange客户端组件,锁实现及示例代码:https://github.com/kidfashion/redlock-cs。
官方介绍文档:http://redis.io/topics/distlock。

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