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面试官:说一下红锁RedLock的实现原理?

RedLock 是一种分布式锁的实现算法,由 Redis 的作者 Salvatore Sanfilippo(也称为 Antirez)提出,主要用于解决在分布式系统中实现可靠锁的问题。在 Redis 单独节点的基础上,RedLock 使用了多个独立的 Redis 实例(通常建议是奇数个,比如 5 个),共同协作来提供更强健的分布式锁服务

RedLock 算法旨在解决单个 Redis 实例作为分布式锁时可能出现的单点故障问题,通过在多个独立运行的 Redis 实例上同时获取锁的方式来提高锁服务的可用性和安全性。

RedLock 具备以下主要特性:

  1. 互斥性:在任何时间,只有一个客户端可以获得锁,确保了资源的互斥访问。
  2. 避免死锁:通过为锁设置一个较短的过期时间,即使客户端在获得锁后由于网络故障等原因未能按时释放锁,锁也会因为过期而自动释放,避免了死锁的发生。
  3. 容错性:即使一部分 Redis 节点宕机,只要大多数节点(即过半数以上的节点)仍在线,RedLock 算法就能继续提供服务,并确保锁的正确性。

    1.RedLock 实现思路

    RedLock 是对集群的每个节点进行加锁,如果大多数节点(N/2+1)加锁成功,则才会认为加锁成功。

这样即使集群中有某个节点挂掉了,因为大部分集群节点都加锁成功了,所以分布式锁还是可以继续使用的。

2.工作流程

RedLock 算法的工作流程大致如下:

  • 客户端向多个独立的 Redis 实例尝试获取锁,设置锁的过期时间非常短。
  • 如果客户端能在大部分节点上成功获取锁,并且所花费的时间小于锁的过期时间的一半,那么认为客户端成功获取到了分布式锁。
  • 当客户端完成对受保护资源的操作后,它需要向所有曾获取锁的 Redis 实例释放锁。
  • 若在释放锁的过程中,客户端因故无法完成,由于设置了锁的过期时间,锁最终会自动过期释放,避免了死锁。

    3.基本使用

    在 Java 开发中,可以使用 Redisson 框架很方便的实现 RedLock,具体操作代码如下:

    import org.redisson.Redisson;
    import org.redisson.api.RedisClient;
    import org.redisson.api.RedissonClient;
    import org.redisson.config.Config;
    import org.redisson.redisson.RedissonRedLock;
    
    public class RedLockDemo {
    
      public static void main(String[] args) {
          // 创建 Redisson 客户端配置
          Config config = new Config();
          config.useClusterServers()
          .addNodeAddress("redis://127.0.0.1:6379",
                          "redis://127.0.0.1:6380",
                          "redis://127.0.0.1:6381"); // 假设有三个 Redis 节点
          // 创建 Redisson 客户端实例
          RedissonClient redissonClient = Redisson.create(config);
          // 创建 RedLock 对象
          RedissonRedLock redLock = redissonClient.getRedLock("resource");
          try {
              // 尝试获取分布式锁,最多尝试 5 秒获取锁,并且锁的有效期为 5000 毫秒
              boolean lockAcquired = redLock.tryLock(5, 5000, TimeUnit.MILLISECONDS); 
              if (lockAcquired) {
                  // 加锁成功,执行业务代码...
              } else {
                  System.out.println("Failed to acquire the lock!");
              }
          } catch (InterruptedException e) {
              Thread.currentThread().interrupt();
              System.err.println("Interrupted while acquiring the lock");
          } finally {
              // 无论是否成功获取到锁,在业务逻辑结束后都要释放锁
              if (redLock.isLocked()) {
                  redLock.unlock();
              }
              // 关闭 Redisson 客户端连接
              redissonClient.shutdown();
          }
      }
    }

    4.实现原理

    Redisson 中的 RedLock 是基于 RedissonMultiLock(联锁)实现的。

RedissonMultiLock 是 Redisson 提供的一种分布式锁类型,它可以同时操作多个锁,以达到对多个锁进行统一管理的目的。联锁的操作是原子性的,即要么全部锁住,要么全部解锁。这样可以保证多个锁的一致性。

RedissonMultiLock 使用示例如下:

import org.redisson.Redisson;
import org.redisson.api.RLock;
import org.redisson.api.RedissonClient;
import org.redisson.config.Config;
import org.redisson.multi.MultiLock;

public class RedissonMultiLockDemo {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建 Redisson 客户端
        Config config = new Config();
        config.useSingleServer().setAddress("redis://127.0.0.1:6379");
        RedissonClient redisson = Redisson.create(config);

        // 创建多个分布式锁实例
        RLock lock1 = redisson.getLock("lock1");
        RLock lock2 = redisson.getLock("lock2");
        RLock lock3 = redisson.getLock("lock3");

        // 创建 RedissonMultiLock 对象
        MultiLock multiLock = new MultiLock(lock1, lock2, lock3);

        // 加锁
        multiLock.lock();
        try {
            // 执行任务
            System.out.println("Lock acquired. Task started.");
            Thread.sleep(3000);
            System.out.println("Task finished. Releasing the lock.");
        } finally {
            // 释放锁
            multiLock.unlock();
        }
        // 关闭客户端连接
        redisson.shutdown();
    }
}

在示例中,我们首先创建了一个 Redisson 客户端并连接到 Redis 服务器。然后,我们使用 redisson.getLock 方法创建了多个分布式锁实例。接下来,我们通过传入这些锁实例来创建了 RedissonMultiLock 对象。

说回正题,RedissonRedLock 是基于 RedissonMultiLock 实现的这点,可以从继承关系看出。

RedissonRedLock 继承自 RedissonMultiLock,核心实现源码如下:

public class RedissonRedLock extends RedissonMultiLock {
    public RedissonRedLock(RLock... locks) {
        super(locks);
    }

    /**
     * 锁可以失败的次数,锁的数量-锁成功客户端最小的数量
     */
    @Override
    protected int failedLocksLimit() {
        return locks.size() - minLocksAmount(locks);
    }

    /**
     * 锁的数量 / 2 + 1,例如有3个客户端加锁,那么最少需要2个客户端加锁成功
     */
    protected int minLocksAmount(final List<RLock> locks) {
        return locks.size()/2 + 1;
    }

    /** 
     * 计算多个客户端一起加锁的超时时间,每个客户端的等待时间
     */
    @Override
    protected long calcLockWaitTime(long remainTime) {
        return Math.max(remainTime / locks.size(), 1);
    }

    @Override
    public void unlock() {
        unlockInner(locks);
    }
}

从上述源码可以看出,Redisson 中的 RedLock 是基于 RedissonMultiLock(联锁)实现的,当 RedLock 是对集群的每个节点进行加锁,如果大多数节点,也就是 N/2+1 个节点加锁成功,则认为 RedLock 加锁成功。

5.存在问题

RedLock 主要存在以下两个问题:

  1. 性能问题:RedLock 要等待大多数节点返回之后,才能加锁成功,而这个过程中可能会因为网络问题,或节点超时的问题,影响加锁的性能。
  2. 并发安全性问题:当客户端加锁时,如果遇到 GC 可能会导致加锁失效,但 GC 后误认为加锁成功的安全事故,例如以下流程:

    1. 客户端 A 请求 3 个节点进行加锁。
    2. 在节点回复处理之前,客户端 A 进入 GC 阶段(存在 STW,全局停顿)。
    3. 之后因为加锁时间的原因,锁已经失效了。
    4. 客户端 B 请求加锁(和客户端 A 是同一把锁),加锁成功。
    5. 客户端 A GC 完成,继续处理前面节点的消息,误以为加锁成功。
    6. 此时客户端 B 和客户端 A 同时加锁成功,出现并发安全性问题。

      6.已废弃的 RedLock

      因为 RedLock 存在的问题争议较大,且没有完美的解决方案,所以 Redisson 中已经废弃了 RedLock,这一点在 Redisson 官方文档中能找到,如下图所示:

      课后思考

      既然 RedLock 已经被废弃,那么想要实现分布式锁,同时又想避免 Redis 单点故障问题,应该使用哪种解决方案呢?

本文已收录到我的面试小站 www.javacn.site,其中包含的内容有:Redis、JVM、并发、并发、MySQL、Spring、Spring MVC、Spring Boot、Spring Cloud、MyBatis、设计模式、消息队列等模块。

https://segmentfault.com/a/1190000044662262

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