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浅析Redis分布式锁的实现方法

背景

在分布式系统的开发中，我们往往需要解决多进程间的并发安全性问题，此时就需要实现一个分布式锁。

想要解决分布式系统的锁问题，我们就需要让锁 不单依赖于某个系统，需要将锁 给提取出来，独立的为所有系统服务。

在一个分布式系统中，缓存往往是必不可少的，故而我们常用的Redis就很好的接过了这个任务！

SETNX + EXPIRE

在Key-Value形式的Redis数据结构中，Key具有唯一性，我就可以用一个Key来唯一标识一个锁，

当一个服务需要加锁时，就在Redis中尝试获取这个锁的唯一Key，如果这个Key存在（获取到了Key），就代表锁已经被其它服务持有，加锁失败。

如果这个Key不存在（没有获取到Key），就代表锁还未被持有，该服务就可以在Redis中设置一个Key，代表已经持有锁，成功加上锁了。

其中，尝试获取锁的Key，若Key已存在，则加锁失败，否则加锁成功 的流程，在Redis中提供了一个命令：SETNX，可以一步完成：

SETNX在设置Key之前会先判断Key是否已经存在，若已存在则返回设置失败，否则就成功设置Key。

如果要释放锁，直接删除这个Key即可。

此时，我们已经利用Redis的唯一Key性质简单实现了分布式锁！

但是！

当服务成功加上锁后，必须要服务在Redis中删除这个锁才能释放掉锁，让其它服务继续获取锁。

如果服务在成功加上锁后，在释放锁之前宕机了，或者释放锁失败了！锁就永远存在Redis中了，其它服务永远也获取不到锁了！

其实在Redis中，我们可以通过EXPIRE命令，给某个Key加上过期时间，达到过时间，Key就会自动删除，也就是锁会自动释放。这样就解决了上面的问题。

原子性

但是！

SETNX与EXPIRE命令是两个命令，它们在一起不具备原子性 ，也就是说：

SETNX加锁成功后，EXPIRE给锁设置过期时间可能会失败，这样还是会产生上面的问题！

可重入性

其实还有一个问题：

每个服务都可以访问Redis，那么，就有可能把其他服务加的锁，给删除了！

此时，我们可以在设置锁的Key时，加入一个唯一标识，用以标识这个锁是哪个服务持有得到，

当其它在操作这个锁之前，要先比较一下唯一标识是否是自己的，如果不是，就不能操作，

否则，就知道这个锁是自己的，可以操作。

但是，这个方法“防君子，不防小人”，其它服务还是可以不管不顾，直接把锁给删了！

此外，如果想要给锁提供可重入性，

可以在锁的Key中设置一个整数，该数用以表明锁被重入的次数，当释放锁时，先对该数值减一，如果还是大于零，就代表还有本服务的其它线程持有该锁，还不能直接删除。

这样就简单实现了锁的重入，但是可用性较差。

发布订阅

此外，我们还可以利用上Redis的发布订阅功能：

当一个服务成功加上锁后，会发布一个主题，其它加锁失败的服务，会订阅这个主题。

当服务释放锁后，会在主题上广播这个信息，其它服务收到信息后就可以重新尝试获取锁了！

自动续约

此外，当服务成功获取锁，设置好过期时间后，如果程序执行时间太长，锁要失效了怎么办？

如果锁失效了，而程序还没有执行完，其它服务获取到锁后也来执行，就会出现并发问题。

我们除了给锁设置一个合理的过期时间外，还可以提供一个自动续约的机制：

设置合适的周期（要小于锁的过期时间），循环检测程序是否执行完成，若没有执行完成，则给锁刷新过期时间。

RedLock

此外，如果Redis崩了，分布式锁就无法服务了，我们就需要部署Redis集群以提高可用性。

对于Redis集群，加锁的时候，是单节点加锁，还是部分节点加锁，还是全部节点加锁？

如果是单节点加锁，加锁的节点如果宕机了，锁的信息就会丢失了。

如果是全部节点加锁，效率太低，绝大多数情况下，大部分节点是不会同时宕机的，所以只需要在大部分节点上加锁就行了，也就是部分节点加锁。

RedLock选择在N/2+1个节点加锁，只有在N/2+1个节点上都加锁成功了，才算最终加锁成功。

在RedLock下，服务需要依次尝试在集群中的节点上加锁，需要设置一个尝试超时时间，超时还未加锁成功的话，就换下一个节点尝试加锁，直到N/2+1个节点加锁成功，并且，加锁耗时小于锁的超时时间（也就是尝试一圈加完锁后，锁还没有过期），才算最终加锁成功。

如果加锁耗时超过锁的超时时间，必须要主动释放所有已经加上的节点锁。

Lua

在Redis中可以使用Lua脚本，这是一个原子性且高效的操作，

通过使用Lua脚本来设置Key和过期时间，可以解决SETNX与EXPIRE非原子性的问题。

Redisson

上面提到的所有技术方案，如果都要让我们自己来实现，未免有些太过麻烦！

Redisson为我们提供了更高效，更高可用的实现，我们可以直接使用：

结合Lua可以原子性的加锁和设置过期时间；

通过给Key中添加服务的唯一标识，以及设置整数值，实现锁的可重入性；

通过看门狗机制，定期检测程序如果没有执行完，就自动续约；

结合Redis的发布订阅机制来唤醒其它服务重试获取锁；

结合RedLock算法，提供RedissonRedLock解决单点失败问题。