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Go與Redis實現分布式互斥鎖和紅鎖_Golang

作者：jiaxwu ? 更新時間： 2022-11-18 編程語言

前言

在項目中我們經常有需要使用分布式鎖的場景，而Redis是實現分布式鎖最常見的一種方式，這篇文章主要是使用Go+Redis實現互斥鎖和紅鎖。

下面的代碼使用go-redis客戶端和gofakeit庫。

代碼地址

互斥鎖

Redis里有一個設置如果不存在的命令，我們可以通過這個命令來實現互斥鎖功能，在Redis官方文檔里面推薦的標準實現方式是SET resource_name my_random_value NX PX 30000這串命令，其中：

resource_name表示要鎖定的資源
NX表示如果不存在則設置
PX 30000表示過期時間為30000毫秒，也就是30秒
my_random_value這個值在所有的客戶端必須是唯一的，所有同一key的鎖競爭者這個值都不能一樣。

值必須是隨機數主要是為了更安全的釋放鎖，釋放鎖的時候使用腳本告訴Redis：只有key存在并且存儲的值和我指定的值一樣才能告訴我刪除成功，避免錯誤釋放別的競爭者的鎖。

由于涉及到兩個操作，因此我們需要通過Lua腳本保證操作的原子性：

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

舉個不用Lua腳本的例子：客戶端A取得資源鎖，但是緊接著被一個其他操作阻塞了，當客戶端A運行完畢其他操作后要釋放鎖時，原來的鎖早已超時并且被Redis自動釋放，并且在這期間資源鎖又被客戶端B再次獲取到。

因為判斷和刪除是兩個操作，所以有可能A剛判斷完鎖就過期自動釋放了，然后B就獲取到了鎖，然后A又調用了Del，導致把B的鎖給釋放了。

TryLock和Unlock實現

TryLock其實就是使用SET resource_name my_random_value NX PX 30000加鎖，這里使用UUID作為隨機值，并且在加鎖成功時把隨機值返回，這個隨機值會在Unlock時使用；

Unlock解鎖邏輯就是執行前面說到的lua腳本。

func (l *Lock) TryLock(ctx context.Context) error {
   success, err := l.client.SetNX(ctx, l.resource, l.randomValue, ttl).Result()
   if err != nil {
      return err
   }
   // 加鎖失敗
   if !success {
      return ErrLockFailed
   }
   // 加鎖成功
   l.randomValue = randomValue
   return nil
}

func (l *Lock) Unlock(ctx context.Context) error {
   return l.script.Run(ctx, l.client, []string{l.resource}, l.randomValue).Err()
}

Lock實現

Lock是阻塞的獲取鎖，因此在加鎖失敗的時候，需要重試。當然也可能出現其他異常情況（比如網絡問題，請求超時等），這些情況則直接返回error。

步驟如下：

嘗試加鎖，加鎖成功直接返回
加鎖失敗則不斷循環嘗試加鎖直到成功或出現異常情況

func (l *Lock) Lock(ctx context.Context) error {
	// 嘗試加鎖
	err := l.TryLock(ctx)
	if err == nil {
		return nil
	}
	if !errors.Is(err, ErrLockFailed) {
		return err
	}
	// 加鎖失敗，不斷嘗試
	ticker := time.NewTicker(l.tryLockInterval)
	defer ticker.Stop()
	for {
		select {
		case <-ctx.Done():
			// 超時
			return ErrTimeout
		case <-ticker.C:
			// 重新嘗試加鎖
			err := l.TryLock(ctx)
			if err == nil {
				return nil
			}
			if !errors.Is(err, ErrLockFailed) {
				return err
			}
		}
	}
}

實現看門狗機制

我們前面的例子中提到的互斥鎖有一個小問題，就是如果持有鎖客戶端A被阻塞，那么A的鎖可能會超時被自動釋放，導致客戶端B提前獲取到鎖。

為了減少這種情況的發生，我們可以在A持有鎖期間，不斷地延長鎖的過期時間，減少客戶端B提前獲取到鎖的情況，這就是看門狗機制。

當然，這沒辦法完全避免上述情況的發生，因為如果客戶端A獲取鎖之后，剛好與Redis的連接關閉了，這時候也就沒辦法延長超時時間了。

看門狗實現

加鎖成功時啟動一個線程，不斷地延長鎖地過期時間；在Unlock時關閉看門狗線程。

看門狗流程如下：

加鎖成功，啟動看門狗
看門狗線程不斷延長鎖的過程時間
解鎖，關閉看門狗

func (l *Lock) startWatchDog() {
	ticker := time.NewTicker(l.ttl / 3)
	defer ticker.Stop()
	for {
		select {
		case <-ticker.C:
			// 延長鎖的過期時間
			ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), l.ttl/3*2)
			ok, err := l.client.Expire(ctx, l.resource, l.ttl).Result()
			cancel()
			// 異?；蜴i已經不存在則不再續期
			if err != nil || !ok {
				return
			}
		case <-l.watchDog:
			// 已經解鎖
			return
		}
	}
}

TryLock：啟動看門狗

func (l *Lock) TryLock(ctx context.Context) error {
	success, err := l.client.SetNX(ctx, l.resource, l.randomValue, l.ttl).Result()
	if err != nil {
		return err
	}
	// 加鎖失敗
	if !success {
		return ErrLockFailed
	}
	// 加鎖成功，啟動看門狗
	go l.startWatchDog()
	return nil
}

Unlock：關閉看門狗

func (l *Lock) Unlock(ctx context.Context) error {
	err := l.script.Run(ctx, l.client, []string{l.resource}, l.randomValue).Err()
	// 關閉看門狗
	close(l.watchDog)
	return err
}

紅鎖

由于上面的實現是基于單Redis實例，如果這個唯一的實例掛了，那么所有請求都會因為拿不到鎖而失敗，為了提高容錯性，我們可以使用多個分布在不同機器上的Redis實例，并且只要拿到其中大多數節點的鎖就能加鎖成功，這就是紅鎖算法。它其實也是基于上面的單實例算法的，只是我們需要同時對多個Redis實例獲取鎖。

加鎖實現

在加鎖邏輯里，我們主要是對每個Redis實例執行SET resource_name my_random_value NX PX 30000獲取鎖，然后把成功獲取鎖的客戶端放到一個channel里（這里因為是多線程并發獲取鎖，使用slice可能有并發問題），同時使用sync.WaitGroup等待所有獲取鎖操作結束。

然后判斷成功獲取到的鎖的數量是否大于一半，如果沒有得到一半以上的鎖，說明加鎖失敗，釋放已經獲得的鎖。

如果加鎖成功，則啟動看門狗延長鎖的過期時間。

func (l *RedLock) TryLock(ctx context.Context) error {
	randomValue := gofakeit.UUID()
	var wg sync.WaitGroup
	wg.Add(len(l.clients))
	// 成功獲得鎖的Redis實例的客戶端
	successClients := make(chan *redis.Client, len(l.clients))
	for _, client := range l.clients {
		go func(client *redis.Client) {
			defer wg.Done()
			success, err := client.SetNX(ctx, l.resource, randomValue, ttl).Result()
			if err != nil {
				return
			}
			// 加鎖失敗
			if !success {
				return
			}
			// 加鎖成功，啟動看門狗
			go l.startWatchDog()
			successClients <- client
		}(client)
	}
	// 等待所有獲取鎖操作完成
	wg.Wait()
	close(successClients)
	// 如果成功加鎖得客戶端少于客戶端數量的一半+1，表示加鎖失敗
	if len(successClients) < len(l.clients)/2+1 {
		// 就算加鎖失敗，也要把已經獲得的鎖給釋放掉
		for client := range successClients {
			go func(client *redis.Client) {
				ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), ttl)
				l.script.Run(ctx, client, []string{l.resource}, randomValue)
				cancel()
			}(client)
		}
		return ErrLockFailed
	}

	// 加鎖成功，啟動看門狗
	l.randomValue = randomValue
	l.successClients = nil
	for successClient := range successClients {
		l.successClients = append(l.successClients, successClient)
	}

	return nil
}

看門狗實現

我們需要延長所有成功獲取到的鎖的過期時間。

func (l *RedLock) startWatchDog() {
	l.watchDog = make(chan struct{})
	ticker := time.NewTicker(resetTTLInterval)
	defer ticker.Stop()
	for {
		select {
		case <-ticker.C:
			// 延長鎖的過期時間
			for _, client := range l.successClients {
				go func(client *redis.Client) {
					ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), ttl-resetTTLInterval)
					client.Expire(ctx, l.resource, ttl)
					cancel()
				}(client)
			}
		case <-l.watchDog:
			// 已經解鎖
			return
		}
	}
}

解鎖實現

我們需要解鎖所有成功獲取到的鎖。

func (l *RedLock) Unlock(ctx context.Context) error {
   for _, client := range l.successClients {
      go func(client *redis.Client) {
         l.script.Run(ctx, client, []string{l.resource}, l.randomValue)
      }(client)
   }
   // 關閉看門狗
   close(l.watchDog)
   return nil
}

原文鏈接：https://juejin.cn/post/7148391514966589477

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目錄

前言

互斥鎖

TryLock和Unlock實現

Lock實現

實現看門狗機制

看門狗實現

紅鎖

加鎖實現

看門狗實現

解鎖實現

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