python 程序中分布式锁 Redlock 如何实现

Python 程序中实现分布式锁Redlock的核心机制包括向多个Redis实例请求锁、锁的续期以及故障转移处理。分布式锁Redlock通过在多个Redis服务器上创建锁来保证资源在分布式系统中的同步访问。锁的续期则是为了在长时间执行的操作期间保持锁的所有权，而在遇到某些Redis实例失效时，故障转移确保锁状态的一致性和系统的稳定运行。

一、REDLOCK的算法介绍

Redlock算法是由Redis的创作者Antirez（Salvatore Sanfilippo）提出的，用于在分布式系统中实现锁的机制。这个算法是基于多个独立的Redis节点来创建一个分布式锁，要求客户端与多个Redis节点交互来确保锁的安全性。

锁的请求

在请求锁时，客户端会生成一个随机的锁ID（通常是一个随机的字符串），然后尝试在多个Redis节点上创建锁。客户端对半数以上的Redis节点进行加锁请求，如果请求成功，即认为获得了锁，否则将所有加锁请求进行解锁，以保证没有资源被错误地锁定。

锁的续期

为了保证在长时间的操作期间锁不会失效，客户端需要在锁快要到期时对其进行续期。这就要求客户端跟踪锁在每个Redis节点上的剩余有效时间，并在适当的时机发送续期指令。

锁的释放

当客户端完成操作后，它需要释放锁以允许其他客户端访问资源。这涉及到向所有Redis实例发送解锁指令，移除之前创建的锁。

二、实现分布式锁的步骤

实现Redlock分布式锁的步骤包含锁的获取、锁的保持（维护）以及锁的释放等。以下是详细流程的解读。

获取锁

客户端获取当前时间戳。
依次向所有的Redis实例尝试获取锁，设置锁的key和value（随机字符串），并指定锁的有效期。
客户端通过检查是否有超过半数的Redis实例成功设置了锁来决定是否获取了锁。
如果获取锁失败（没有足够的Redis实例成功设置锁），则向所有Redis实例发送解锁指令，避免死锁。

保持锁

在锁接近过期时间时，如果客户端的任务还未执行完毕，客户端需要向所有获得锁的Redis实例发起续期请求，重置锁的有效期。

释放锁

客户端任务执行完毕后，向所有Redis实例发送解锁指令，释放锁资源。

三、锁的安全性分析

锁的安全性是Redlock机制重要的考量点。锁需要保证在任何时刻只有一个客户端持有锁。

锁的唯一性

通过使用随机生成的锁ID和确保超过半数的Redis实例设置了锁，Redlock算法力求保证锁的唯一性。这意味着即便某个Redis实例不可用或者出现网络分区，只要其他实例都认为锁被持有，整个系统便认为锁是有效的。

锁的活性

为防止系统在一个客户端失败后出现死锁，Redlock算法采用了设定锁的有效期机制。即使客户端在持有锁期间崩溃或者无响应，锁也会在有效期结束后自动释放。

四、代码实现

在Python中实现Redlock通常使用redis-py库，下面通过代码示例来具体展示实现方法。

import redis
import time
import uuid
class Redlock(object):
    def __init__(self, redis_servers):
        self.redis_servers = [redis.StrictRedis(*server) for server in redis_servers]
        self.quorum = len(self.redis_servers) // 2 + 1
        self.lock_key = "REDIS_LOCK_KEY"
        self.lock_value = None
    def lock(self, ttl):
        self.lock_value = str(uuid.uuid4())
        lock_acquired = 0
        start_time = current_milli_time()
        try:
            for server in self.redis_servers:
                if self._lock_instance(server, self.lock_key, self.lock_value, ttl):
                    lock_acquired += 1
                # Ensure we still have time to acquire the quorum before the lock expires
                elapsed = current_milli_time() - start_time
                if elapsed >= ttl or lock_acquired == self.quorum:
                    break
            # Acquired lock on a majority of instances
            if lock_acquired >= self.quorum:
                return True
            else:
                self.unlock()
        except Exception as e:
            self.unlock()
            rAIse e
    def _lock_instance(self, instance, lock_key, lock_value, ttl):
        return instance.set(lock_key, lock_value, nx=True, px=ttl)
    def unlock(self):
        for server in self.redis_servers:
            self._unlock_instance(server, self.lock_key, self.lock_value)
    def _unlock_instance(self, instance, lock_key, lock_value):
        # Unlock script to prevent releasing a lock that another client has acquired
        unlock_script = """
        if redis.call("get", KEYS[1]) == ARGV[1] then
            return redis.call("del", KEYS[1])
        else
            return 0
        end
        """
        instance.eval(unlock_script, 1, lock_key, lock_value)
def current_milli_time():
    return int(round(time.time() * 1000))
Usage
lock_manager = Redlock([
    ('localhost', 6379),
    ('localhost', 6380),
    ('localhost', 6381),
])
Attempt to acquire a lock with a 5-second TTL
if lock_manager.lock(5000):
    try:
        # Perform critical section code here...
        pass
    finally:
        # Ensure we release the lock regardless of what happens in the critical section
        lock_manager.unlock()