面試官：如何用 Redis 實(shí)現(xiàn)分布式鎖？
作者：小林coding
八股文網(wǎng)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(shí)現(xiàn)分布式鎖？ Redis 是如何解決集群情況下分布式鎖的可靠性問題的？
如何用 Redis 實(shí)現(xiàn)分布式鎖的？
分布式鎖是用于分布式環(huán)境下并發(fā)控制的一種機(jī)制，用于控制某個資源在同一時刻只能被一個應(yīng)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(tǒng)，可以用來保存分布式鎖，而且 Redis 的讀寫性能高，可以應(yīng)對高并發(fā)的鎖操作場景。
Redis 的 SET 命令有個 NX 參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)「key不存在才插入」，所以可以用它來實(shí)現(xiàn)分布式鎖：
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。
基于 Redis 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)分布式鎖時，對于加鎖操作，我們需要滿足三個條件。
加鎖包括了讀取鎖變量、檢查鎖變量值和設(shè)置鎖變量值三個操作，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(xiàng)來實(shí)現(xiàn)加鎖； 鎖變量需要設(shè)置過期時間，以免客戶端拿到鎖后發(fā)生異常，導(dǎo)致鎖一直無法釋放，所以，我們在 SET 命令執(zhí)行時加上 EX/PX 選項(xiàng)，設(shè)置其過期時間； 鎖變量的值需要能區(qū)分來自不同客戶端的加鎖操作，以免在釋放鎖時，出現(xiàn)誤釋放操作，所以，我們使用 SET 命令設(shè)置鎖變量值時，每個客戶端設(shè)置的值是一個唯一值，用于標(biāo)識客戶端；
滿足這三個條件的分布式命令如下：
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(biāo)識，區(qū)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(jìn)行設(shè)置操作； PX 10000 表示設(shè)置 lock_key 的過期時間為 10s，這是為了避免客戶端發(fā)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(zhí)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?yàn)?Redis 在執(zhí)行 Lua 腳本時，可以以原子性的方式執(zhí)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(jié)點(diǎn)上完成了分布式鎖的加鎖和解鎖。
基于 Redis 實(shí)現(xiàn)分布式鎖有什么優(yōu)缺點(diǎn)？
基于 Redis 實(shí)現(xiàn)分布式鎖的優(yōu)點(diǎn)：
性能高效（這是選擇緩存實(shí)現(xiàn)分布式鎖最核心的出發(fā)點(diǎn)）。 實(shí)現(xiàn)方便。很多研發(fā)工程師選擇使用 Redis 來實(shí)現(xiàn)分布式鎖，很大成分上是因?yàn)?Redis 提供了 setnx 方法，實(shí)現(xiàn)分布式鎖很方便。 避免單點(diǎn)故障（因?yàn)?Redis 是跨集群部署的，自然就避免了單點(diǎn)故障）。
基于 Redis 實(shí)現(xiàn)分布式鎖的缺點(diǎn)：
超時時間不好設(shè)置。如果鎖的超時時間設(shè)置過長，會影響性能，如果設(shè)置的超時時間過短會保護(hù)不到共享資源。比如在有些場景中，一個線程 A 獲取到了鎖之后，由于業(yè)務(wù)代碼執(zhí)行時間可能比較長，導(dǎo)致超過了鎖的超時時間，自動失效，注意 A 線程沒執(zhí)行完，后續(xù)線程 B 又意外的持有了鎖，意味著可以操作共享資源，那么兩個線程之間的共享資源就沒辦法進(jìn)行保護(hù)了。 那么如何合理設(shè)置超時時間呢？ 我們可以基于續(xù)約的方式設(shè)置超時時間：先給鎖設(shè)置一個超時時間，然后啟動一個守護(hù)線程，讓守護(hù)線程在一段時間后，重新設(shè)置這個鎖的超時時間。實(shí)現(xiàn)方式就是：寫一個守護(hù)線程，然后去判斷鎖的情況，當(dāng)鎖快失效的時候，再次進(jìn)行續(xù)約加鎖，當(dāng)主線程執(zhí)行完成后，銷毀續(xù)約鎖即可，不過這種方式實(shí)現(xiàn)起來相對復(fù)雜。 Redis 主從復(fù)制模式中的數(shù)據(jù)是異步復(fù)制的，這樣導(dǎo)致分布式鎖的不可靠性。如果在 Redis 主節(jié)點(diǎn)獲取到鎖后，在沒有同步到其他節(jié)點(diǎn)時，Redis 主節(jié)點(diǎn)宕機(jī)了，此時新的 Redis 主節(jié)點(diǎn)依然可以獲取鎖，所以多個應(yīng)用服務(wù)就可以同時獲取到鎖。
Redis 如何解決集群情況下分布式鎖的可靠性？
為了保證集群環(huán)境下分布式鎖的可靠性，Redis 官方已經(jīng)設(shè)計(jì)了一個分布式鎖算法 Redlock（紅鎖）。
它是基于多個 Redis 節(jié)點(diǎn)的分布式鎖，即使有節(jié)點(diǎn)發(fā)生了故障，鎖變量仍然是存在的，客戶端還是可以完成鎖操作。
Redlock 算法的基本思路，是讓客戶端和多個獨(dú)立的 Redis 節(jié)點(diǎn)依次請求申請加鎖，如果客戶端能夠和半數(shù)以上的節(jié)點(diǎn)成功地完成加鎖操作，那么我們就認(rèn)為，客戶端成功地獲得分布式鎖，否則加鎖失敗。
這樣一來，即使有某個 Redis 節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，因?yàn)殒i的數(shù)據(jù)在其他節(jié)點(diǎn)上也有保存，所以客戶端仍然可以正常地進(jìn)行鎖操作，鎖的數(shù)據(jù)也不會丟失。
Redlock 算法加鎖三個過程：
第一步是，客戶端獲取當(dāng)前時間。 第二步是，客戶端按順序依次向 N 個 Redis 節(jié)點(diǎn)執(zhí)行加鎖操作： 加鎖操作使用 SET 命令，帶上 NX，EX/PX 選項(xiàng)，以及帶上客戶端的唯一標(biāo)識。 如果某個 Redis 節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障了，為了保證在這種情況下，Redlock 算法能夠繼續(xù)運(yùn)行，我們需要給「加鎖操作」設(shè)置一個超時時間（不是對「鎖」設(shè)置超時時間，而是對「加鎖操作」設(shè)置超時時間）。 第三步是，一旦客戶端完成了和所有 Redis 節(jié)點(diǎn)的加鎖操作，客戶端就要計(jì)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(shù)的 Redis 節(jié)點(diǎn)成功的獲取到了鎖，并且總耗時沒有超過鎖的有效時間，那么就是加鎖成功）：
條件一：客戶端從超過半數(shù)（大于等于 N/2+1）的 Redis 節(jié)點(diǎn)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。
加鎖成功后，客戶端需要重新計(jì)算這把鎖的有效時間，計(jì)算的結(jié)果是「鎖的最初有效時間」減去「客戶端為獲取鎖的總耗時（t1）」。
加鎖失敗后，客戶端向所有 Redis 節(jié)點(diǎn)發(fā)起釋放鎖的操作，釋放鎖的操作和在單節(jié)點(diǎn)上釋放鎖的操作一樣，只要執(zhí)行釋放鎖的 Lua 腳本就可以了。
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