【Redis 进阶】Redis 典型应用 —— 分布式锁

一、什么是分布式锁

在一个分布式的系统中，也会涉及到多个节点访问同一个公共资源的情况，此时就需要通过锁来做互斥控制, 避免出现类似于 "线程安全" 的问题。

而 Java 的 synchronized 或者 C++ 的 std::mutex，这样的锁都是只能在当前进程中生效，在分布式的这种多个进程多个主机的场景下就无能为力了，此时就需要使用到分布式锁.

本质上就是使用一个公共的服务器，来记录加锁状态。

这个公共的服务器可以是 Redis，也可以是其他组件（比如 MySQL 或者 ZooKeeper 等），还可以是我们自己写的一个服务。

二、分布式锁的基础实现

思路非常简单，本质上就是通过一个键值对来标识锁的状态。

举例：考虑买票的场景，现在车站提供了若干个车次，每个车次的票数都是固定的。现在存在多个服务器节点，都可能需要处理这个买票的逻辑：先查询指定车次的余票，如果余票 > 0，则设置余票值 -= 1。

显然上述的场景是存在 "线程安全" 问题的，需要使用锁来控制，否则就可能出现 "超卖" 的情况。

此时如何进行加锁呢？

可以在上述架构中引入一个 Redis 来作为分布式锁的管理器。

所谓的分布式锁，也是一个 / 组单独的服务器程序，给其他的服务器提供 "加锁" 这样的服务（Redis 是一种典型的可以用来实现分布式锁的方案，但不是唯一的一种方案，业界也可能使用 mysql / zookeeper 这样的组件来实现分布式锁的效果）。

此时，如果买票服务器 1 尝试买票，就需要先访问 Redis，在 Redis 上设置一个键值对，比如 key 就是车次，value 随便设置个值（比如 1）。

如果这个操作设置成功，就视为当前没有节点对该 001 车次加锁，往 redis 上设置一个特殊的键值对，就可以进行数据库的读写操作。操作完成之后，再把 Redis 上刚才的这个键值对给删除掉。

如果在买票服务器 1 操作数据库的过程中，买票服务器 2 也想买票，也会去尝试给 Redis 上写一个键值对，key 同样是车次。但是如果此时设置的时候发现该车次的 key 已经存在了，则认为已经有其他服务器正在持有锁，此时服务器 2 就需要等待或者暂时放弃。也就可以保证服务器 1 执行 "查询 -> 更新" 的过程中，服务器 2 不会执行 "查询"，也就解决了上述 "超卖" 的问题。

前面买票的场景使用 mysql 的事务也可以批量执行 "查询 + 修改" 操作，但是在分布式系统中，要访问的共享资源不一定是 mysql，也有可能是其他的存储介质，没有事务，也可能是执行一段特定的操作，是通过统一的服务器完成执行动作。

Redis 中提供了 setnx 操作，正好适合这个场景，即 key 不存在就设置，存在则直接失败。但是假设某个服务器加锁成功了（setnx 成功），但在执行后续逻辑的过程中挂了（没有执行到解锁：del 命令），所以上述场景并不完整。

三、引入过期时间

当服务器 1 加锁之后，开始处理买票的过程中，如果服务器 1 意外宕机了，就会导致解锁操作（删除该 key）不能执行，就可能引起其他服务器始终无法获取到锁的情况。为了解决这个问题，可以在设置 key 的同时引入过期时间，即这个锁最多持有多久，就应该被释放。

可以使用 set ex nx 的方式，在设置锁的同时把过期时间设置进去。

注意：此处的过期时间只能使用一个命令的方式设置，因为 redis 上的多个命令之间无法保证原子性。

如果分开多个操作，比如 setnx 之后再来⼀个单独的 expire，由于 Redis 的多个指令之间不存在关联，并且即使使用了事务也不能保证这两个操作都一定成功，因此就可能出现 setnx 成功，但是 expire 失败的情况，此时仍然会出现无法正确释放锁的问题。

四、引入校验 id

对于 Redis 中写入的加锁键值对，其他的节点也是可以删除的。比如：服务器 1 写入一个 "001"：1 这样的键值对，服务器 2 是完全可以把 "001" 给删除掉的。虽然说服务器 2 不会进行这样 "恶意删除" 的操作，不过不能保证因为一些 Bug 而导致服务器 2 把锁误删除。

为了解决上述问题，可以引入一个校验 id。比如：可以把设置的键值对的值，不再是简单的设为⼀个 1，而是设成服务器的编号，形如 "001": "服务器 1"。这样就可以在删除 key（解锁）的时候，先校验当前删除 key 的服务器是否为我们当初加锁的服务器，如果是才能真正删除，如果不是则不能删除。

逻辑用伪代码描述如下：

String key = [要加锁的资源 id];
String serverId = [服务器的编号];

// 加锁, 设置过期时间为 10s
redis.set(key, serverId, "NX", "EX", "10s");

// 执⾏各种业务逻辑,⽐如修改数据库数据
doSomeThing();

// 解锁,删除 key,但是删除前要检验下 serverId 是否匹配
if (redis.get(key) == serverId) {
    redis.del(key);
}

但是很明显，解锁逻辑是两步操作 "get" 和 "del"，这样做并非是原子的。

五、引入 lua

为了使解锁操作原子，可以使用 Redis 内嵌的 Lua 脚本功能。Lua 也是一个编程语言，lua 是葡萄牙语中的 "月亮" 的意思，出自于 Lua 官方文档（明确说明 lua 就属于是事务的替代方案）：Lua: about

Lua 的语法类似于 JS，是一个动态弱类型的语言，Lua 的解释器一般使用 C 语言实现。Lua 语法简单精炼，执行速度快，解释器也比较轻量（Lua 解释器的可执行程序体积只有 200KB 左右），因此 Lua 经常作为其他程序内部嵌入的脚本语言，Redis 本身就支持 Lua 作为内嵌脚本。redis 执行 lua 脚本的过程也是原子的，相当于执行一条命令一样（实际上 lua 中可以写多条命令）。

很多程序都支持内嵌脚本，比如 MySQL 8 支持 JS 作为内嵌脚本，比如 Vim 支持 VimScript 和 Python 作为内嵌脚本... 通过内嵌脚本来实现更复杂的功能，来提供更强的扩展性。Lua 除了和 Redis 搭伙之外，在很多场景也会作为内嵌脚本，比如在游戏开发领域常常作为编写逻辑的语言。

使用 Lua 脚本完成上述解锁功能：

Lua 复制代码

if redis.call('get',KEYS[1]) == ARGV[1] then 
    return redis.call('del',KEYS[1]) 
else
    return 0 
end;

上述代码可以编写成一个 .lua 后缀的文件，由 redis-cli 或者 redis-plus-plus 或者 jedis 等客户端加载，并发送给 Redis 服务器，由 Redis 服务器来执行这段逻辑。一个 lua 脚本会被 Redis 服务器以原子的方式来执行。

六、引入 watch dog（看门狗）

上述方案仍然存在一个重要问题：当设置了 key 过期时间之后（比如 10s），那就可能当任务在我的业务逻辑还没执行完，key 就先过期（释放锁）了，从而导致锁提前失效。

把这个过期时间设置的足够长，比如 30s，是否能够解决上述这个问题呢?

很明显，设置多长时间合适是无止境的。即使设置的时间再长，也不能完全保证就没有提前失效的情况，而且如果设置的时间太长了，万一对应的服务器挂了（锁释放不及时），此时其他服务器也不能及时的获取到锁。因此相比于设置一个固定的长时间，不如动态的调整时间更合适。

所谓的 "watch dog" 本质上就是：加锁的服务器上的一个单独的线程，通过这个线程来对锁过期时间进行 "动态续约"。

注意：这个线程是业务服务器上的，不是 Redis 服务器的。

举例：初始情况下设置过期时间为 10s，同时设定看门狗线程每隔 3s 检测一次，那么当 3s 时间到的时候，看门狗就会判定当前任务是否完成。

如果任务已经完成，则直接通过 lua 脚本的方式，释放锁（删除 key）。
如果任务未完成，则把过期时间重写设置为 10s（即 "续约"）。

这样就不担心锁提前失效的问题了，而且在另一方面，如果该服务器挂了，看门狗线程也就随之挂了，此时无人续约，这个 key 自然就可以迅速过期，让其他服务器能够获取到锁了。

七、引入 Redlock 算法

实践中的 Redis 一般是以集群的方式部署的（至少是主从的形式，而不是单机），那么就可能出现以下比较极端的情况：

服务器 1 向 master 节点进行加锁操作，这个写入 key 的过程刚刚完成 master 就挂了，此时 slave 节点升级成了新的 master 节点。但是由于刚才写入的这个 key 还没来得及同步给 slave，此时就相当于服务器 1 的加锁操作形同虚设了，服务器 2 仍然可以进行加锁（即给新的 master 写入 key，因为新的 master 不包含刚才的 key）。

为了解决这个问题，Redis 的作者提出了 Redlock 算法。我们可以引入一组 Redis 节点，其中每一组 Redis 节点都包含一个主节点和若干从节点，并且组和组之间存储的数据都是一致的，相互之间是 "备份" 关系而并非是数据集合的一部分，这点有别于 Redis cluster。

加锁的时候，按照一定的顺序针对这些组 redis 都进行加锁操作，在写锁的时候需要设定操作的 "超时时间"，比如 50ms，即如果 setnx 操作超过了 50ms 还没有成功，就视为加锁失败。

如果给某个节点加锁失败，就立即再尝试下一个节点。当加锁成功（写入 key）的节点数超过总节点数的一半就视为加锁成功。如上图，一共五个节点，三个加锁成功，两个失败，此时视为加锁成功。这样的话，即使有某些节点挂了，也不影响锁的正确性。

那么是否可能出现上述节点都同时遇到了 "大冤种" 情况呢？

理论上这件事是有可能发生的，但是概率很小，可以忽略不计。

同理，释放锁的时候也需要把所有节点都进行解锁操作（即使是之前超时的节点，也要尝试解锁，尽量保证逻辑严密）。

Redlock 算法的核心就是：加锁操作不能只写给一个 Redis 节点，而要写多个。分布式系统中任何一个节点都是不可靠的，最终的加锁成功结论是："少数服从多数的"，引入最多的冗余来提高 Redis 作为分布式锁的可读性。因为一个分布式系统不至于大部分节点都同时出现故障，所以这样的可靠性要比单个节点来说靠谱不少。

八、其他功能

上述描述中我们解释了基于 Redis 的分布式锁的基本实现原理。

上述锁只是一个简单的互斥锁，但是实际上我们在⼀些特定场景中，还有一些其他特殊的锁，比如:

可重入锁
公平锁（遵守 "先来后到" 原则）
读写锁
... ...

基于 Redis 的分布式锁，也可以实现上述的特性，只不过对应的实现逻辑也会更复杂。

在实际开发中，我们并不会真的自己去实现一个分布式锁，因为已经有很多现成的库帮我们封装好了，直接拿来使用即可。比如：C++ 中的 redis-plus-plus、Java 中的 Redisson。