使用 Redis 实现分布式锁 已翻译 100%

QLeelulu 投递于 2014/09/27 12:53 (共 18 段, 翻译完成于 11-04)
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分布式锁是一个在很多环境中非常有用的原语,它是不同进程互斥操作共享资源的唯一方法。有很多的开发库和博客描述如何使用Redis实现DLM(Distributed Lock Manager),但是每个开发库使用不同的方式,而且相比更复杂的设计与实现,很多库使用一些简单低可靠的方式来实现。 

这篇文章尝试提供更标准的算法来使用Redis实现分布式锁。我们提出一种算法,叫做Relock,它实现了我们认为比vanilla单一实例方式更安全的DLM(分布式锁管理)。我们希望社区分析它并提供反馈,以做为更加复杂或替代设计的一个实现。

路小磊
路小磊
翻译于 2014/10/04 11:42
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实现

在说具体算法之前,下面有一些具体的实现可供参考.

安全和活跃性保证

从有效分布式锁的最小保证粒度来说,我们的模型里面只用了3个属性,具体如下:

1. 属性安全: 互斥行.在任何时候,只有一个客户端可以获得锁.

2. 活跃属性A: 死锁自由. 即使一个客户端已经拥用了已损坏或已被分割资源的锁,但它也有可能请求其他的锁.

3. 活跃属性B:容错. 只要大部分Redis节点可用, 客户端就可以获得和释放锁.

SumerTiger
SumerTiger
翻译于 2014/09/29 11:50
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为何基于容错的实现还不够

要理解我们所做的改进,就要先分析下当前基于Redis的分布式锁的做法。

使用Redis锁住资源的最简单的方法是创建一对key-value值。利用Redis的超时机制,key被创建为有一定的生存期,因此它最终会被释放。而当客户端想要释放时,直接删除key就行了。

一般来说这工作得很好,但有个问题: 这是系统的一个单点。如果Redis主节点挂了呢?当然,我们可以加个子节点,主节点出问题时可以切换过来。不过很可惜,这种方案不可行,因为Redis的主-从复制是异步的,我们无法用其实现互斥的安全特性。



jameszz
jameszz
翻译于 2014/10/01 08:27
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这明显是该模型的一种竞态条件:

  1. 客户端A在主节点获得了一个锁。

  2. 主节点挂了,而到从节点的写同步还没完成。

  3. 从节点被提升为主节点。

  4. 客户端B获得和A相同的锁。注意,安全性被破坏了!

有时候,在某些情况下这反而工作得很好,例如在出错时,多个客户端可以获得同一个锁。如果这正好是你想要的,那就可以使用主-从复制的方案。否则,我们建议使用这篇文章中描述的方法。

jameszz
jameszz
翻译于 2014/10/01 08:50
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单实例的正确实现方案

在尝试解决上文描述的单实例方案的缺陷之前,先让我们确保针对这种简单的情况,怎么做才是无误的,因为这种方案对某些程序而言也是可以接受的,而且这也是我们即将描述的分布式方案的基础。

为了获取锁,方法是这样的:

SET resource_name my_random_value NX PX 30000

这条指令将设置key的值,仅当其不存在时生效(NX选项), 且设置其生存期为30000毫秒(PX选项)。和key关联的value值是"my_random_value"。这个值在所有客户端和所有加锁请求中是必须是唯一的。

jameszz
jameszz
翻译于 2014/10/01 21:55
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使用随机值主要是为了能够安全地释放锁,这要同时结合这么个处理逻辑:删除key值当且仅当其已存在并且其value值是我们所期待的。看看以下lua代码:

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

这么做很重要,可以避免误删其他客户端创建的锁。例如某个客户端获得了一个锁,但它的处理时长超过了锁的有效时长,之后它删除了这个锁,而此时这个锁可能又被其他客户端给获得了。仅仅做删除是不够安全的,很可能会把其他客户端的锁给删了。结合上面的代码,每个锁都有个唯一的随机值,因此仅当这个值依旧是客户端所设置的值时,才会去删除它。

jameszz
jameszz
翻译于 2014/10/02 16:45
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那么应该怎样生成这个随机值呢?我们使用的是从/dev/urandom读取的20个字节,但你也可以找个更简单的方法,只要能满足任务就行。例如,可以使用/dev/urandom初始化RC4算法,然后用其产生随机数流。更简单的方法是组合unix时间戳和客户端ID, 这并不安全,但对很多环境而言也够用了。

我们所说的key的时间,是指”锁的有效时长“. 它代表两种情况,一种是指锁的自动释放时长,另一种是指在另一个客户端获取锁之前某个客户端占用这个锁的时长,这被限制在从锁获取后开始的一段时间窗口内。

现在我们已经有好的办法获取和释放锁了。在单实例非分布式系统中,只要保证节点没挂掉,这个方法就是安全的。那么让我们把这个概念扩展到分布式的系统中吧,那里可没有这种保证。

jameszz
jameszz
翻译于 2014/10/03 18:30
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Redlock 算法

在此算法的分布式版本中,我们假设有N个Redis主节点。这些节点是相互独立的,因此我们不使用复制或其他隐式同步机制。我们已经描述过在单实例情况下如何安全地获取锁。我们也指出此算法将使用这种方法从单实例获取和释放锁。在以下示例中,我们设置N=5(这是个比较适中的值),这样我们需要在不同物理机或虚拟机上运行5个Redis主节点,以确保它们的出错是尽可能独立的。

为了获取锁,客户端执行以下操作:

  1. 获取当前时间,以毫秒为单位。

  2. 以串行的方式尝试从所有的N个实例中获取锁,使用的是相同的key值和相同的随机value值。在从每个实例获取锁时,客户端会设置一个连接超时,其时长相比锁的自动释放时间要短得多。例如,若锁的自动释放时间是10秒,那么连接超时大概设在5到50毫秒之间。这可以避免当Redis节点挂掉时,会长时间堵住客户端:如果某个节点没及时响应,就应该尽快转到下个节点。

  3. 客户端计算获取所有锁耗费的时长,方法是使用当前时间减去步骤1中的时间戳。当且仅当客户端能从多数节点(至少3个)中获得锁,并且耗费的时长小于锁的有效期时,可认为锁已经获得了。

  4. 如果锁获得了,它的最终有效时长将重新计算为其原时长减去步骤3中获取锁耗费的时长。

  5. 如果锁获取失败了(要么是没有锁住N/2+1个节点,要么是锁的最终有效时长为负数),客户端会对所有实例进行解锁操作(即使对那些没有加锁成功的实例也一样)。

jameszz
jameszz
翻译于 2014/10/01 15:54
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算法是异步的?

算法依赖于这样一个假定,它在处理的时候不是(基于)同步时钟的,每个处理中仍然使用的是本地的时间,它只是大致地以同样地速率运行,这样它就会有一个小的错误,与之相比会有一个小的自动开合的时钟时间。这个假设很像真正世界的电脑:每一台电脑有一个本地时钟,通常我们使用不同的电脑会有一个很小的时钟差。

基于这个观点,我们需要更好地指明我们共同的互斥法则:这是保证客户端能长时间保持状态锁定,其将会终止它们在有效时间内的工作(在步骤3中获得),减去一些时间(在处理时时间差时减去了一些毫秒用来补偿)。

想要了解关于系统需要一个范围的时间差的内容可以获取更多的信息,这篇论文是很好的参考: Leases: an efficient fault-tolerant mechanism for distributed file cache consistency.

溪边九节
溪边九节
翻译于 2014/10/14 21:12
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失败时重试

当客户端无法获取锁时,它应该在一个随机延迟后重试,从而避免多个客户端同时试图获取锁,相对应同一的同时请求(这可能会导致崩溃,没人会胜出)。同样的,客户端在大多数场合下尝试获取锁的速度越快,崩溃的窗口就越少(重试的需要也越少),所以实际情况下客户端应尝试采用复用方式发送SET命令到多个实例。

强调客户在获取主锁失败是值得的,释放(或部分)以尽快获得锁,这样没有必要为获取锁锁而去等待键到期(但是如果网络分区发生变化时客户端不能与Redis通信的情况下,需要显性提示和等待超时)。

Garfielt
Garfielt
翻译于 2014/10/20 13:55
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评论(5)

crazymus
crazymus
锁住N/2+1个节点,就认为获取分布式锁成功吗?
zw6234336
zw6234336

引用来自“CL315917525”的评论

即使是单机,单纯的key-value也要看使用的什么命令吧,若直接用set或者get。A调用get 为空则获取锁改变这个Key的值,在改变值的时候用set命令,此时若B线程也获取锁并且该命令先于A线程的set命令,redis串行。此时不是有问题么?博主是怎样单机思路呢
incr 或者 Pipeline
k
ks_xzh

引用来自“CL315917525”的评论

即使是单机,单纯的key-value也要看使用的什么命令吧,若直接用set或者get。A调用get 为空则获取锁改变这个Key的值,在改变值的时候用set命令,此时若B线程也获取锁并且该命令先于A线程的set命令,redis串行。此时不是有问题么?博主是怎样单机思路呢
key值是唯一的,只有锁的获得者才能够删除。 我倒是期待split brain condition的概率测试
CL315917525
CL315917525
即使是单机,单纯的key-value也要看使用的什么命令吧,若直接用set或者get。A调用get 为空则获取锁改变这个Key的值,在改变值的时候用set命令,此时若B线程也获取锁并且该命令先于A线程的set命令,redis串行。此时不是有问题么?博主是怎样单机思路呢
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