Redis應用篇（眾星追月）：分布式鎖
話題引入
大家好，我是小龍。
之前在《吃透Redis系列》專欄發表了第一篇文章《Redis基礎篇(萬丈高樓平地起)：核心底層數據結構》簡單介紹了Redis，以及它的內部組織形式、核心數據結構與大致使用場景。還沒看到得同學可以回過頭看看。
接下來，我將繼續帶大家深入理解，本文將介紹Redis高頻使用的一個場景——「利用Redis實習分布式鎖」。
想必大家都知道，在遇到并發問題時，我們通常會使用鎖來解決并發問題。
這是，有同學可能說：“這個我會，不就用synchronized、Lock這些實現嗎?”
對，你說的不錯。但是你只說對了一半，在「傳統單機部署」的情況下，可以使用Java并發處理相關的API(如ReentrantLcok或synchronized)進行互斥控制。
但是在「分布式系統」中，由于分布式系統「多線程」、「多進程」并且「分布在不同機器」上，這將使原單機并發控制鎖策略失效，為了解決這個問題就需要一種「跨JVM的互斥機制」來控制共享資源的訪問，這就得靠分布式鎖啦。
看透鎖本質
在我看來：所有的鎖本身都可以用一個變量來表示。
比如：在「單機上運行」的多線程程序來說。取一個變量，變量為0時，表示沒有線程獲取鎖;變量為1時，表示已經有線程獲取鎖。
加鎖：線程調用加鎖操作，檢查變量是否為0，如果為0，表示沒線程獲取鎖，將變量設置為1，表示獲取鎖;如果不是0，表示其他線程已經暫用鎖，獲取鎖失敗。
解鎖：同理。
而分布式環境下，同樣可以以變量形式理解分布式鎖。
但是，和線程在單機上操作鎖不同的是，在分布式場景下，「鎖變量需要由一個共享存儲系統來維護」，只有這樣，多個客戶端才可以通過訪問共享存儲系統來訪問鎖變量。相應的，「加鎖和釋放鎖的操作就變成了讀取、判斷和設置共享存儲系統中的鎖變量值」。
「可見，滿足分布式鎖的要求」：
- 「鎖操作原子性」：分布式鎖的加鎖和釋放鎖的過程，涉及多個操作。所以，在實現分布式鎖時，我們需要保證這些「鎖操作的原子性」;
- 「鎖的可靠性」：共享存儲系統保存了鎖變量，如果共享存儲系統發生故障或宕機，那么客戶端也就無法進行鎖操作了。在實現分布式鎖時，我們需要考慮保證「共享存儲系統的可靠性」，進而保證「鎖的可靠性」。
上面我們提到了可以使用一個鎖變量來表示鎖，其實你也可以理解為「占位」。只不過分布式鎖需要把這個坑位拿出來放于「共享」的地方，每個都從「共享處來檢查坑位」。
占位一般是使用 setnx(set if not exists) 指令，只允許被一個客戶端占位。先來先占， 用完了，再調用 del 指令釋放茅坑。
- //加鎖
- > setnx lock_key 1
- OK
- //業務邏輯
- >(其他操作)
- //釋放鎖
- > del lock_key
但是有個問題，如果邏輯執行到中間出現異常了，可能會導致 del 指令沒有被調用，這樣就會「陷入死鎖」，鎖永遠得不到釋放。
于是我們在拿到鎖之后，再給鎖加上一個過期時間，這樣即使中間出現異常也可以保證指定時間之后鎖會自動釋放。
- //加鎖
- > setnx lock_key 1
- OK
- > expire lock_key 5
- //業務邏輯
- >(其他操作)
- //釋放鎖
- > del lock_key
但是以上邏輯還有問題。如果在 setnx 和 expire 之間服務器進程突然掛掉了，可能是因為機器掉電或者是被人為殺掉的，就會導致 expire 得不到執行，也會造成死鎖。
這種問題的根源就在于 setnx 和 expire 是兩條指令而不是原子指令。你也許會想到使用事務什么的執行，但是這里不行，因為如果 setnx 沒搶到鎖，expire 是不應該執行的。
Redis 2.8 版本中作者加入了 set 指令的擴展參數，使得 setnx 和expire 指令可以一起執行，徹底解決了分布式鎖的亂象。
- set key value [EX seconds | PX milliseconds] [NX]
除了上述基本常規的問題，還有這些「你可能沒考慮到的問題」：
超時問題
Redis 的分布式鎖不能解決超時問題，如果在加鎖和釋放鎖間的業務邏輯執行時間太長，以至于超出了鎖的超時限制，就會出現問題(也就是鎖過期了，你的業務邏輯還沒執行完)。
因為這時候鎖過期了，第二個客戶端B重新持有了這把鎖，但是緊接著客戶端A執行完了業務邏輯，就把鎖給釋放了，客戶端C就會在客戶端B邏輯執行完之間拿到了鎖。為了避免這個問題，Redis 分布式鎖不要用于較長時間的任務。
為了應對這個問題，我們需要能區分來自不同客戶端的鎖操作，具體咋做呢 ? 針對于這個問題，我們可以想辦法把命令略加點小技巧。可以在鎖變量的值上想想辦法。
在使用SETNX命令進行加鎖的方法中，我們通過把鎖變量值設置為1或0，表示是否加鎖成功。1和0只有兩種狀態，無法表示究竟是哪個客戶端進行的鎖操作。
所以，我們在加鎖操作時，可以「讓每個客戶端給鎖變量設置一個唯一值」，這里的唯一值就可以用來標識當前操作的客戶端。
在釋放鎖操作時，客戶端需要判斷，當前「鎖變量的值是否和自己的唯一標識相等」，只有在相等的情況下，才能釋放鎖。這樣一來，就不會出現誤釋放鎖的問題了。
于是，我們的命令可以這樣寫：
- //加鎖,unique_value作為客戶端唯—性的標識
- SET lock_key unique_value NX PX 5000
其中，unique_value 是客戶端的唯一標識，可以用一個隨機生成的字符串來表示，PX 5000則表示 lock_key會在5s后過期，以免客戶端在這期間發生異常而無法釋放鎖。
因為在加鎖操作中，每個客戶端都使用了一個唯一標識，所以在「釋放鎖操作」時，我們需要「判斷鎖變量的值」，是否等于執行釋放鎖操作的客戶端的唯一標識，如下所示，可以使用Lua腳本來保證原子性:
- //釋放鎖比較unique_value是否相等，避免誤釋放
- if redis.call("get" ,KEYS[1])== ARGV[1] then
- return redis.call("del" , KEYS[1])
- else
- return 0
- end
可重入性
可重入性是指線程在持有鎖的情況下再次請求加鎖，如果一個鎖支持同一個線程的多次加鎖，那么這個鎖就是可重入的。比如 Java 語言里有個 ReentrantLock 就是可重入鎖。
Redis 分布式鎖如果要支持可重入，可以對客戶端的 set 方法進行包裝，使用線程的 Threadlocal 變量存儲當前持有鎖的計數。
此處就不過多介紹，大抵不會問，有興趣可以自己上網查閱看書。
課外補充
上述內容，是個基于單個Redis節點實現分布式鎖。
當我們要實現「高可靠的分布式鎖」時，就不能只依賴單個的命令操作了，我們需要按照一定的步驟和規則進行加解鎖操作，否則，就可能會出現鎖無法工作的情況。“一定的步驟和規則”是指啥呢?其實就是分布式鎖的算法。
這里簡單介紹Redlock算法的執行步驟。Redlock算法的實現需要有N個獨立的Redis實例。接下來，我們可以分成3步來完成加鎖操作。
1、客戶端獲取當前時間
2、客戶端按照順序在每個Master實例中嘗試獲得鎖。在獲得鎖的過程中，為每一個鎖操作設置一個快速失敗時間(如果想要獲得一個10秒的鎖，那么每一個鎖操作的失敗時間設為5-50ms)。
這樣可以避免客戶端與一個已經故障的Master通信占用太長時間，通過快速失敗的方式盡快的與集群中的其他節點完成鎖操作。
3、客戶端計算出與master獲得鎖操作過程中消耗的時間，「當且僅當Client獲得鎖消耗的時間小于鎖的存活時間，并且在一半以上的master節點中獲得鎖」。才認為client成功的獲得了鎖。
4、如果已經獲得了鎖，「Client執行任務的時間窗口是鎖的存活時間減去獲得鎖消耗的時間。」
5、如果Client獲得鎖的數量不足一半以上，或獲得鎖的時間超時，那么認為獲得鎖失敗。客戶端「需要嘗試在所有的master節點中釋放鎖， 即使在第二步中沒有成功獲得該Master節點中的鎖，仍要進行釋放操作。」
