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Redis 中的看门狗机制：分布式锁的守护者

news 2025/7/18 8:41:13

在分布式系统中，分布式锁是确保共享资源在并发访问下数据一致性的关键。Redis 因其高性能和原子操作，常被用来实现分布式锁。然而，一个常见的问题是，当持有锁的客户端因各种原因（如崩溃、网络延迟、GC 停顿）而未能及时释放锁时，如何避免死锁？这时，看门狗机制就派上用场了。

1. 为什么分布式锁需要看门狗？

我们通常使用 Redis 的 SET key value NX EX seconds 命令来获取分布式锁：

NX: 只在 Key 不存在时设置。
EX seconds: 设置 Key 的过期时间，防止客户端崩溃导致锁不被释放（死锁）。

这个 EX 参数设置的过期时间，就是锁的租约（lease time）。它定义了锁的最大持有时间。

然而，仅仅设置过期时间还不够：

业务逻辑执行时间不确定： 如果业务逻辑非常复杂，执行时间超出了锁的过期时间，锁就会被 Redis 自动释放。此时，另一个客户端可能会获取到锁，导致多个客户端同时操作共享资源，引发并发问题和数据不一致。
客户端异常： 客户端可能因为网络延迟、GC 停顿、OOM 等原因导致长时间阻塞，无法在锁过期前完成业务并释放锁。

为了解决这些问题，我们需要一个“看门狗”来动态地延长锁的过期时间，确保持有锁的客户端在正常执行业务期间，其持有的锁不会无故过期。

2. Redis 看门狗机制的实现原理

Redis 中的看门狗机制并非 Redis 本身的原生特性，而是由客户端库（如 Redisson）或我们自定义的业务逻辑来实现的。其核心思想是：在持有锁的客户端执行业务期间，定期检查锁是否仍然由自己持有，如果是，就自动续期锁的过期时间。

下面是看门狗机制的典型实现步骤：

客户端 A 尝试获取锁： 客户端 A 发送 SET my_lock_key <random_value> NX EX 30 命令到 Redis，其中 <random_value> 是一个客户端生成的唯一标识符，EX 30 表示锁的初始过期时间是 30 秒。
启动看门狗线程（或定时任务）： 如果客户端 A 成功获取到锁，它会同时启动一个独立的看门狗线程（或定时任务）。
看门狗线程定期续期： 这个看门狗线程会每隔一段时间（通常是锁过期时间的三分之一，例如 30 秒过期，看门狗就每 10 秒执行一次）向 Redis 发送一个续期请求。
续期逻辑（Lua 脚本）： 续期请求通常是一个 Lua 脚本，以保证原子性。这个脚本会执行以下操作：
- 检查锁的持有者： 验证 my_lock_key 的值是否仍然是客户端 A 最初设置的 <random_value>。这确保了只有锁的真正持有者才能续期，防止其他客户端误续。
- 如果验证通过，则重新设置过期时间： 如果值匹配，说明锁仍然由当前客户端持有，就执行 EXPIRE my_lock_key 30（或者 PEXPIRE my_lock_key 30000）命令，将锁的过期时间再次设置为 30 秒。
业务完成或客户端崩溃：
- 正常释放锁： 当客户端 A 的业务逻辑执行完毕后，它会主动发送 DEL my_lock_key 命令来释放锁。在释放锁之前，也会先检查锁的 value 是否匹配，以避免误删其他客户端的锁。在释放锁后，看门狗线程也会被停止。
- 客户端崩溃： 如果客户端 A 在业务执行期间崩溃，看门狗线程也会随之停止。当锁的过期时间到达后（即便有几次成功续期，但最终看门狗停止续期后），Redis 会自动删除这个 Key，避免死锁。

3. Redisson 中看门狗的具体实现方案

Redisson 作为一款功能强大的 Redis 客户端，其分布式锁的实现正是看门狗机制的优秀范例。它将复杂的续期逻辑封装起来，让开发者能更专注于业务。

Redisson 看门狗的实现方案，主要涉及以下几个关键点：

3.1 锁的唯一标识与重入

Redisson 在获取锁时，会为每个锁实例生成一个唯一的标识符。这个标识符通常是一个随机的 UUID + 当前线程 ID，并将其作为 HASH 结构中的一个字段值。

例如，当你调用 RLock.lock() 时，Redisson 可能会在 Redis 中创建一个 Hash 类型的 Key：

my_lock_key (hash) -> UUID_CLIENT_ID:THREAD_ID: 1 (这里的1表示重入次数)

这样，通过 UUID_CLIENT_ID:THREAD_ID 这个组合，Redisson 能够唯一标识持有锁的客户端实例及其具体线程。

重入性 (Reentrancy)：Redisson 的锁是支持重入的。如果同一个客户端的同一个线程多次调用 lock() 方法，它不会再次尝试获取锁，而是会增加 Hash 字段对应的计数值。每次 unlock() 则会减少计数值，直到为 0 时才真正释放锁。

3.2 获取锁的 Lua 脚本

Redisson 获取锁的操作是原子性的，通过 Lua 脚本完成。这个脚本负责：

判断锁是否存在： 如果锁不存在，直接设置并返回成功。
判断是否为当前线程持有： 如果锁存在，则判断是否由当前线程持有（通过 UUID_CLIENT_ID:THREAD_ID）。如果是，则增加重入计数并续期。
设置过期时间： 无论是新获取锁还是重入，都会设置或更新锁的过期时间（默认 30 秒）。

以下是 Redisson 内部获取锁（RLock.lock()）的简化 Lua 脚本逻辑：

-- KEYS[1] 是锁的 Key 名 (my_lock_key)
-- ARGV[1] 是锁的过期时间 (30000 毫秒)
-- ARGV[2] 是客户端的唯一ID和线程ID (UUID_CLIENT_ID:THREAD_ID)if redis.call('exists', KEYS[1]) == 0 then-- 如果锁不存在，直接设置redis.call('hset', KEYS[1], ARGV[2], 1); -- 设置hash字段，值为1表示重入次数redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); -- 设置过期时间 (毫秒)return nil; -- 成功获取锁
end;if redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1 then-- 如果锁存在，且是当前客户端当前线程持有redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1); -- 重入计数加1redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); -- 重新设置过期时间return nil; -- 成功重入
end;-- 锁被其他客户端持有，返回剩余过期时间
return redis.call('pttl', KEYS[1]);

3.3 自动续期看门狗线程

当 Redisson 客户端成功获取锁后，它会启动一个后台任务（在 Redisson 内部称为 AcquisitionTask，它进一步管理 ExpirationRenewTask）。

默认续期时间： 这个续期任务会以锁过期时间的三分之一作为周期进行调度。Redisson 默认的锁过期时间是 30 秒，所以续期任务默认每 10 秒执行一次。
续期 Lua 脚本： 看门狗任务会执行一个特定的 Lua 脚本来续期。这个脚本的核心逻辑是：
- 检查是否仍然是锁的持有者： 再次检查 Hash Key 中是否存在 UUID_CLIENT_ID:THREAD_ID 字段。
- 如果存在，就续期： 重新设置锁的过期时间为默认值（例如 30 秒）。

以下是 Redisson 内部续期锁的简化 Lua 脚本逻辑：

-- KEYS[1] 是锁的 Key 名 (my_lock_key)
-- ARGV[1] 是锁的过期时间 (30000 毫秒)
-- ARGV[2] 是客户端的唯一ID和线程ID (UUID_CLIENT_ID:THREAD_ID)if redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1 then-- 如果锁存在且仍然由当前客户端当前线程持有redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); -- 重新设置过期时间return 1; -- 续期成功
end;
return 0; -- 锁已失效或被其他客户端持有

3.4 释放锁的 Lua 脚本

当客户端调用 RLock.unlock() 时，Redisson 也会使用一个 Lua 脚本来原子性地释放锁：

检查是否为当前线程持有： 检查 Hash Key 中是否存在 UUID_CLIENT_ID:THREAD_ID 字段。如果不存在，说明锁已过期或被其他客户端抢占，则直接返回。
减少重入计数： 如果存在，则将重入计数减 1。
判断是否完全释放： 如果重入计数减到 0，则执行 DEL 命令删除锁 Key，并停止看门狗任务。否则，不删除 Key，仅停止当前 unlock 调用的任务。

以下是 Redisson 内部释放锁的简化 Lua 脚本逻辑：

-- KEYS[1] 是锁的 Key 名 (my_lock_key)
-- ARGV[1] 是客户端的唯一ID和线程ID (UUID_CLIENT_ID:THREAD_ID)
-- ARGV[2] 是释放锁后新的过期时间，通常为-1表示不设置if redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 0 then-- 如果锁不存在或不是当前线程持有，则返回nil表示无法释放return nil;
end;-- 重入计数减1
local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[1], -1);if counter > 0 then-- 如果重入计数仍大于0，表示是重入锁，不删除Key，只重新设置过期时间redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]);return 0; -- 成功释放一层重入
else-- 如果重入计数为0，表示完全释放锁redis.call('del', KEYS[1]); -- 删除锁 Keyreturn 1; -- 成功释放锁
end;

Redisson 的看门狗逻辑通常在独立的线程池中执行，以避免阻塞业务线程。它利用 Netty 的异步特性和事件循环，高效地处理锁的获取、续期和释放。

4. 看门狗机制的优缺点

优点：

避免死锁： 即使客户端异常崩溃，锁最终也会因为没有续期而过期释放。
提高可用性： 业务逻辑执行时间不确定时，能有效延长锁的持有时间，避免锁过早释放导致并发问题。
灵活性： 允许业务逻辑长时间持有锁，而无需手动管理锁的过期时间。

缺点：

增加 Redis 负载： 看门狗线程会定期向 Redis 发送续期请求，增加了 Redis 的 QPS 压力。对于大量锁和短租约的场景，这可能是个问题。
网络延迟影响： 如果客户端与 Redis 之间网络出现严重延迟，可能导致看门狗续期请求无法及时到达 Redis，从而导致锁在业务执行过程中意外过期。
不适用于强一致性场景： 看门狗机制可以降低死锁风险和提高可用性，但它不能解决分布式系统中的时钟不同步等导致的安全问题（例如，如果某个节点的时间突然跳跃，可能导致提前释放锁）。对于对数据一致性有极高要求的场景，可能需要更重量级的分布式协调服务（如 ZooKeeper、Etcd）或 Redlock 算法（虽然 Redlock 本身也存在争议）。
实现复杂性（如果手动实现）： 如果不使用 Redisson 这样的成熟客户端库，手动实现看门狗需要考虑线程管理、原子操作（Lua 脚本）、异常处理等复杂性。