Redis-集群下的锁还安全么?

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集群下的锁还安全么?

基于 Redis 的实现分布式锁,前面遇到的问题,以及对应的解决方案:

1、死锁:设置过期时间

2、过期时间评估不好,锁提前过期:守护线程,自动续期

3、锁被别人释放:锁写入唯一标识,释放锁先检查标识,再释放

之前分析的场景都是,锁在「单个」Redis实例中可能产生的问题,并没有涉及到 Redis 的部署架构细节。

而我们在使用 Redis 时,一般会采用主从集群 +哨兵的模式部署,这样做的好处在于,当主库异常宕机时,哨兵可以实现「故障自动切换」,把从库提升为主库,继续提供服务,以此保证可用性。

但是因为主从复制是异步的,那么就不可避免会发生的锁数据丢失问题(加了锁却没来得及同步过来)。从库被哨兵提升为新主库,这个锁在新的主库上,丢失了!

Redlock真的安全吗?

Redis 作者提出的 Redlock方案,是如何解决主从切换后,锁失效问题的。

Redlock 的方案基于一个前提:

不再需要部署从库和哨兵实例,只部署主库;但主库要部署多个,官方推荐至少 5 个实例。

注意:不是部署 Redis Cluster,就是部署 5 个简单的 Redis 实例。它们之间没有任何关系,都是一个个孤立的实例。

做完之后,我们看官网代码怎么去用的:

8. 分布式锁和同步器 · redisson/redisson Wiki · GitHub

8.4. 红锁(RedLock)

基于Redis的Redisson红锁 RedissonRedLock对象实现了Redlock介绍的加锁算法。该对象也可以用来将多个 RLock对象关联为一个红锁,每个 RLock对象实例可以来自于不同的Redisson实例。

RLock lock1 = redissonInstance1.getLock("lock1");
RLock lock2 = redissonInstance2.getLock("lock2");
RLock lock3 = redissonInstance3.getLock("lock3");

RedissonRedLock lock = new RedissonRedLock(lock1, lock2, lock3);
// 同时加锁:lock1 lock2 lock3
// 红锁在大部分节点上加锁成功就算成功。
lock.lock();
...
lock.unlock();

大家都知道,如果负责储存某些分布式锁的某些Redis节点宕机以后,而且这些锁正好处于锁住的状态时,这些锁会出现锁死的状态。为了避免这种情况的发生,Redisson内部提供了一个监控锁的看门狗,它的作用是在Redisson实例被关闭前,不断的延长锁的有效期。默认情况下,看门狗的检查锁的超时时间是30秒钟,也可以通过修改Config.lockWatchdogTimeout来另行指定。

另外Redisson还通过加锁的方法提供了 leaseTime的参数来指定加锁的时间。超过这个时间后锁便自动解开了。

RedissonRedLock lock = new RedissonRedLock(lock1, lock2, lock3);
// 给lock1,lock2,lock3加锁,如果没有手动解开的话,10秒钟后将会自动解开
lock.lock(10, TimeUnit.SECONDS);

// 为加锁等待100秒时间,并在加锁成功10秒钟后自动解开
boolean res = lock.tryLock(100, 10, TimeUnit.SECONDS);
...
lock.unlock();

Redlock实现整体流程

1、客户端先获取「当前时间戳T1」

2、客户端依次向这 5 个 Redis 实例发起加锁请求

3、如果客户端从 >=3 个(大多数)以上Redis 实例加锁成功,则再次获取「当前时间戳T2」,如果 T2 - T1 < 锁的过期时间,此时,认为客户端加锁成功,否则认为加锁失败。

4、加锁成功,去操作共享资源

5、加锁失败/释放锁,向「全部节点」发起释放锁请求。

所以总的来说:客户端在多个 Redis 实例上申请加锁;必须保证大多数节点加锁成功;大多数节点加锁的总耗时,要小于锁设置的过期时间;释放锁,要向全部节点发起释放锁请求。

我们来看 Redlock 为什么要这么做?

  1. 为什么要在多个实例上加锁?

本质上是为了「容错」,部分实例异常宕机,剩余的实例加锁成功,整个锁服务依旧可用。

  1. 为什么大多数加锁成功,才算成功?

多个 Redis 实例一起来用,其实就组成了一个「分布式系统」。在分布式系统中,总会出现「异常节点」,所以,在谈论分布式系统问题时,需要考虑异常节点达到多少个,也依旧不会影响整个系统的「正确性」。

这是一个分布式系统「容错」问题,这个问题的结论是:如果只存在「故障」节点,只要大多数节点正常,那么整个系统依旧是可以提供正确服务的。

  1. 为什么步骤 3 加锁成功后,还要计算加锁的累计耗时?

因为操作的是多个节点,所以耗时肯定会比操作单个实例耗时更久,而且,因为是网络请求,网络情况是复杂的,有可能存在延迟、丢包、超时等情况发生,网络请求越多,异常发生的概率就越大。

所以,即使大多数节点加锁成功,但如果加锁的累计耗时已经「超过」了锁的过期时间,那此时有些实例上的锁可能已经失效了,这个锁就没有意义了。

  1. 为什么释放锁,要操作所有节点?

在某一个 Redis 节点加锁时,可能因为「网络原因」导致加锁失败。

例如,客户端在一个 Redis 实例上加锁成功,但在读取响应结果时,网络问题导致读取失败,那这把锁其实已经在 Redis 上加锁成功了。

所以,释放锁时,不管之前有没有加锁成功,需要释放「所有节点」的锁,以保证清理节点上「残留」的锁。

好了,明白了 Redlock 的流程和相关问题,看似Redlock 确实解决了 Redis 节点异常宕机锁失效的问题,保证了锁的「安全性」。

但事实真的如此吗?

RedLock的是是非非

一个分布式系统,更像一个复杂的「野兽」,存在着你想不到的各种异常情况。

这些异常场景主要包括三大块,这也是分布式系统会遇到的三座大山:NPC。

N:Network Delay,网络延迟

P:Process Pause,进程暂停(GC)

C:Clock Drift,时钟漂移

比如一个进程暂停(GC)的例子

image.png

1)客户端 1 请求锁定节点 A、B、C、D、E

2)客户端 1 的拿到锁后,进入 GC(时间比较久)

3)所有 Redis 节点上的锁都过期了

4)客户端 2 获取到了 A、B、C、D、E 上的锁

5)客户端 1 GC 结束,认为成功获取锁

6)客户端 2 也认为获取到了锁,发生「冲突」

GC 和网络延迟问题:这两点可以在红锁实现流程的第3步来解决这个问题。

但是最核心的还是时钟漂移,因为时钟漂移,就有可能导致第3步的判断本身就是一个BUG,所以当多个 Redis 节点「时钟」发生问题时,也会导致 Redlock 锁失效。

RedLock总结

Redlock 只有建立在「时钟正确」的前提下,才能正常工作,如果你可以保证这个前提,那么可以拿来使用。

但是时钟偏移在现实中是存在的:

第一,从硬件角度来说,时钟发生偏移是时有发生,无法避免。例如,CPU 温度、机器负载、芯片材料都是有可能导致时钟发生偏移的。

第二,人为错误也是很难完全避免的。

所以,Redlock尽量不用它,而且它的性能不如单机版 Redis,部署成本也高,优先考虑使用主从+ 哨兵的模式 实现分布式锁(只会有很小的记录发生主从切换时的锁丢失问题)。

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