聊聊如何用 Redis 實現分散式鎖？
作者：小林coding
電腦八股文網站：//xiaolincoding.com
哈嘍，我是小林。
今天跟大家聊聊兩個問題：
- 如何用 Redis 實現分散式鎖？
- Redis 是如何解決集群情況下分散式鎖的可靠性問題的？
如何用 Redis 實現分散式鎖的？
分散式鎖是用於分散式環境下並發控制的一種機制，用於控制某個資源在同一時刻只能被一個應用所使用。如下圖所示：
Redis 本身可以被多個客戶端共享訪問，正好就是一個共享存儲系統，可以用來保存分散式鎖，而且 Redis 的讀寫性能高，可以應對高並發的鎖操作場景。
Redis 的 SET 命令有個 NX 參數可以實現「key不存在才插入」，所以可以用它來實現分散式鎖：
- 如果 key 不存在，則顯示插入成功，可以用來表示加鎖成功；
- 如果 key 存在，則會顯示插入失敗，可以用來表示加鎖失敗。
基於 Redis 節點實現分散式鎖時，對於加鎖操作，我們需要滿足三個條件。
- 加鎖包括了讀取鎖變數、檢查鎖變數值和設置鎖變數值三個操作，但需要以原子操作的方式完成，所以，我們使用 SET 命令帶上 NX 選項來實現加鎖；
- 鎖變數需要設置過期時間，以免客戶端拿到鎖後發生異常，導致鎖一直無法釋放，所以，我們在 SET 命令執行時加上 EX/PX 選項，設置其過期時間；
- 鎖變數的值需要能區分來自不同客戶端的加鎖操作，以免在釋放鎖時，出現誤釋放操作，所以，我們使用 SET 命令設置鎖變數值時，每個客戶端設置的值是一個唯一值，用於標識客戶端；
滿足這三個條件的分散式命令如下：
SET lock_key unique_value NX PX 10000
- lock_key 就是 key 鍵；
- unique_value 是客戶端生成的唯一的標識，區分來自不同客戶端的鎖操作；
- NX 代表只在 lock_key 不存在時，才對 lock_key 進行設置操作；
- PX 10000 表示設置 lock_key 的過期時間為 10s，這是為了避免客戶端發生異常而無法釋放鎖。
而解鎖的過程就是將 lock_key 鍵刪除（del lock_key），但不能亂刪，要保證執行操作的客戶端就是加鎖的客戶端。所以，解鎖的時候，我們要先判斷鎖的 unique_value 是否為加鎖客戶端，是的話，才將 lock_key 鍵刪除。
可以看到，解鎖是有兩個操作，這時就需要 Lua 腳本來保證解鎖的原子性，因為 Redis 在執行 Lua 腳本時，可以以原子性的方式執行，保證了鎖釋放操作的原子性。
// 釋放鎖時，先比較 unique_value 是否相等，避免鎖的誤釋放
if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
return redis.call("del",KEYS[1])
else
return 0
end
這樣一來，就通過使用 SET 命令和 Lua 腳本在 Redis 單節點上完成了分散式鎖的加鎖和解鎖。
基於 Redis 實現分散式鎖有什麼優缺點？
基於 Redis 實現分散式鎖的優點：
- 性能高效（這是選擇快取實現分散式鎖最核心的出發點）。
- 實現方便。很多研發工程師選擇使用 Redis 來實現分散式鎖，很大成分上是因為 Redis 提供了 setnx 方法，實現分散式鎖很方便。
- 避免單點故障（因為 Redis 是跨集群部署的，自然就避免了單點故障）。
基於 Redis 實現分散式鎖的缺點：
-
超時時間不好設置。如果鎖的超時時間設置過長，會影響性能，如果設置的超時時間過短會保護不到共享資源。比如在有些場景中，一個執行緒 A 獲取到了鎖之後，由於業務程式碼執行時間可能比較長，導致超過了鎖的超時時間，自動失效，注意 A 執行緒沒執行完，後續執行緒 B 又意外的持有了鎖，意味著可以操作共享資源，那麼兩個執行緒之間的共享資源就沒辦法進行保護了。
-
- 那麼如何合理設置超時時間呢？ 我們可以基於續約的方式設置超時時間：先給鎖設置一個超時時間，然後啟動一個守護執行緒，讓守護執行緒在一段時間後，重新設置這個鎖的超時時間。實現方式就是：寫一個守護執行緒，然後去判斷鎖的情況，當鎖快失效的時候，再次進行續約加鎖，當主執行緒執行完成後，銷毀續約鎖即可，不過這種方式實現起來相對複雜。
-
Redis 主從複製模式中的數據是非同步複製的，這樣導致分散式鎖的不可靠性。如果在 Redis 主節點獲取到鎖後，在沒有同步到其他節點時，Redis 主節點宕機了，此時新的 Redis 主節點依然可以獲取鎖，所以多個應用服務就可以同時獲取到鎖。
Redis 如何解決集群情況下分散式鎖的可靠性？
為了保證集群環境下分散式鎖的可靠性，Redis 官方已經設計了一個分散式鎖演算法 Redlock（紅鎖）。
它是基於多個 Redis 節點的分散式鎖，即使有節點發生了故障，鎖變數仍然是存在的，客戶端還是可以完成鎖操作。
Redlock 演算法的基本思路，是讓客戶端和多個獨立的 Redis 節點依次請求申請加鎖，如果客戶端能夠和半數以上的節點成功地完成加鎖操作，那麼我們就認為，客戶端成功地獲得分散式鎖，否則加鎖失敗。
這樣一來，即使有某個 Redis 節點發生故障，因為鎖的數據在其他節點上也有保存，所以客戶端仍然可以正常地進行鎖操作，鎖的數據也不會丟失。
Redlock 演算法加鎖三個過程：
-
第一步是，客戶端獲取當前時間。
-
第二步是，客戶端按順序依次向 N 個 Redis 節點執行加鎖操作：
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- 加鎖操作使用 SET 命令，帶上 NX，EX/PX 選項，以及帶上客戶端的唯一標識。
- 如果某個 Redis 節點發生故障了，為了保證在這種情況下，Redlock 演算法能夠繼續運行，我們需要給「加鎖操作」設置一個超時時間（不是對「鎖」設置超時時間，而是對「加鎖操作」設置超時時間）。
-
第三步是，一旦客戶端完成了和所有 Redis 節點的加鎖操作，客戶端就要計算整個加鎖過程的總耗時（t1）。
加鎖成功要同時滿足兩個條件（簡述：如果有超過半數的 Redis 節點成功的獲取到了鎖，並且總耗時沒有超過鎖的有效時間，那麼就是加鎖成功）：
- 條件一：客戶端從超過半數（大於等於 N/2+1）的 Redis 節點上成功獲取到了鎖；
- 條件二：客戶端獲取鎖的總耗時（t1）沒有超過鎖的有效時間。
加鎖成功後，客戶端需要重新計算這把鎖的有效時間，計算的結果是「鎖的最初有效時間」減去「客戶端為獲取鎖的總耗時（t1）」。
加鎖失敗後，客戶端向所有 Redis 節點發起釋放鎖的操作，釋放鎖的操作和在單節點上釋放鎖的操作一樣，只要執行釋放鎖的 Lua 腳本就可以了。
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