Redis锁完美解决高并发秒杀问题

什么是Redis锁

Redis是一种内存数据存储工具，最常用于高速缓存（即将缓存的数据存储在内存中，加速访问速度）。Redis锁就是通过Redis实现分布式锁的一种方式。在高并发环境下，为了防止多线程同时访问同一个资源，需要使用分布式锁来保证多进程或多线程没有竞争情况下对共享资源的并发操作。

Redis锁的实现原理

在分布式环境下，要实现锁机制往往需要中间件协调，而Redis正是因为其单点协调能力强大而常用作分布式锁的中间件。Redis锁的基本实现原理可分以下步骤：

1. Client1尝试拥有锁，向Redis服务器请求一个key的写锁，成功则进入第2步；失败则等待一定时间后进入第1步重新尝试。
2. Client1拥有锁，在规定时间内完成共享资源访问和操作，如完成秒杀操作，然后删除该锁。
3. Client2尝试获取锁，与Client1重复以上步骤。

当然，除了以上3个必要步骤，还需要考虑系统健壮性、响应速度、死锁等问题，具体实现会稍有不同，但基本思路相同。

实现Redis锁的一般模式

1. 代码实现

下面是一个Redis锁的Python实现代码。在该实现中使用 set key value [EX seconds] [NX|XX] 命令来尝试获取锁（即在Redis数据库中创建一条记录），利用 DEL key 命令来释放锁（即删除该记录）：

import redis

class RedisLock:
    def __init__(self, key, timeout=10, sleep=0.1):
        self.key = key
        self.redis = redis.Redis() # 连接Redis数据库，可自行修改默认参数
        self.timeout = timeout
        self.sleep = sleep

    def acquire(self):
        """尝试获得锁"""
        while self.timeout >= 0:
            try:
                result = self.redis.set(
                    self.key, 
                    1, 
                    ex=self.timeout, 
                    nx=True
                ) # setnx 在键不存在时设置值，若此时键已存在则设置失败
                if result:
                    return True
            except Exception as e:
                print("acquire lock error:", e)
            time.sleep(self.sleep)
            self.timeout -= self.sleep
        return False

    def release(self):
        """释放锁"""
        try:
            self.redis.delete(self.key)
        except Exception as e:
            print("release lock error:", e)

使用方法如下：

lock = RedisLock("key")
if lock.acquire():
    # do something here
    lock.release()

2. 锁的访问限制

为了规避死锁、消费者空转等问题，锁的多重访问需要进行适度的限制，以Redis的实现为例有以下2种：

2.1 最大等待时间与最大访问次数

最大等待时间和最大访问次数是两个常见的限制方式，以保证尽量不发生死锁、连接空转等问题，同时也防止消耗过多的内存和带宽资源。因此，加入上述限制的Redis锁实现代码如下（以最大访问次数为例）：

class RedisLock:
    def __init__(self, key, timeout=10, sleep=0.1, max_wait=8, max_retry=10):
        self.key = key
        self.redis = redis.Redis()
        self.timeout = timeout
        self.sleep = sleep
        self.max_wait = max_wait
        self.max_retry = max_retry

    def acquire(self):
        retry_count = 0
        lock_wait_time = 0
        while self.timeout >= 0:
            if retry_count > self.max_retry or lock_wait_time > self.max_wait:
                return False
            try:
                result = self.redis.set(
                    self.key, 
                    1, 
                    ex=self.timeout, 
                    nx=True
                )
                if result:
                    return True
            except Exception as e:
                print("acquire lock error:", e)
            time.sleep(self.sleep)
            lock_wait_time += self.sleep
            retry_count += 1
            self.timeout -= self.sleep
        return False    

2.2 信号传递方式

Redis的发布订阅机制可以将限制行为抽象，通过Redis的通信频道允许锁使用者在获取到锁的情况下发出超时、释放、延迟锁等行为的通知。设置消息通道，即可使用PUBLISH和SUBSCRIBE命令进行消息的订阅和解析，实现信号的传递。例如：

发送端

lock_key = "key"
channel = "lock_channel"

client = redis.Redis()
client.set(lock_key, time.time())
client.publish(channel, "lock open {} 6000".format(lock_key))
time.sleep(6.5)
client.delete(lock_key)
client.publish(channel, "lock close {}".format(lock_key))

接收端

import time
import redis

def lock_open(key, timeout):
    start_time = time.time()
    lock_wait_time = 0
    while lock_wait_time < timeout:
        if client.set(key, start_time + timeout + 1, nx=True, ex=timeout):
            return True
        time.sleep(0.1)
        lock_wait_time = time.time() - start_time
    return False

def lock_close(key):
    client = redis.Redis()
    client.delete(key)

def handle_msg(msg):
    parts = msg['data'].split(' ')
    key = parts[2]
    command = parts[1]
    if command == 'open':
        timeout = int(parts[3])
        if lock_open(key, timeout):
            print("Unlocking {}".format(key))
        else:
            print("Lock timeout! {}".format(key))
    elif command == 'close':
        print("Closing {}".format(key))
        lock_close(key)

if __name__ == '__main__':
    print("Start redis lock demo.")
    client = redis.Redis()
    p = client.pubsub()
    p.subscribe(**{'lock_channel': handle_msg})
    thread = p.run_in_thread(sleep_time=0.001)
    while True:
        time.sleep(10)

使用示例

以一个简单的秒杀系统为例，下面阐述Redis锁的一般流程：

import redis

redis_pool = redis.ConnectionPool(host='127.0.0.1', port=6379, db=0)
redis_cache = redis.Redis(connection_pool=redis_pool)

# 获取锁
def get_lock(uuid):
    lock_redis = RedisLock(redis_cache, "lock_{}".format(uuid), 15, 0.1, 2, 2)
    if lock_redis.acquire():
        # 获取成功
        return True
    # 获取失败
    return False

# 释放锁
def release_lock(uuid):
    lock_redis = RedisLock(redis_cache, "lock_{}".format(uuid), 15, 0.1, 2, 2)
    lock_redis.release()

总结

Redis锁是常见的分布式锁机制之一，是基于Redis数据库实现的一种锁机制。在高并发的时候使用Redis锁可以避免系统资源的竞争和冲突的问题，提高并发访问系统性能和安全性。 Redis锁可以广泛应用于网站、移动应用等需要处理千万级别和以上并发的场景，排队取号、秒杀活动等都可以用Redis锁优化，提升用户体验。