30 | 如何使用Redis實(shí)現(xiàn)分布式鎖？
1囚巴、前言
Redis 屬于分布式系統(tǒng)原在，當(dāng)有多個(gè)客戶端需要爭搶鎖時(shí)，我們必須要保證彤叉，這把鎖不能是某個(gè)客戶端本地的鎖庶柿。否則的話，其它客戶端是無法訪問這把鎖的姆坚，當(dāng)然也就不能獲取這把鎖了澳泵。
所以，在分布式系統(tǒng)中兼呵，當(dāng)有多個(gè)客戶端需要獲取鎖時(shí)兔辅，我們需要分布式鎖。此時(shí)击喂，鎖是保存在一個(gè)共享存儲(chǔ)系統(tǒng)中的维苔，可以被多個(gè)客戶端共享訪問和獲取。
2懂昂、單機(jī)上的鎖和分布式鎖的聯(lián)系與區(qū)別
對(duì)于在單機(jī)上運(yùn)行的多線程程序來說介时，鎖本身可以用一個(gè)變量表示。
變量值為 0 時(shí)凌彬，表示沒有線程獲取鎖沸柔；
變量值為 1 時(shí)，表示已經(jīng)有線程獲取到鎖了铲敛。
單機(jī)上加鎖和釋放鎖過程代碼：
acquire_lock(){
????if lock == 0
????????lock = 1
????????return 1
????else
????????return 0
}?
release_lock(){?
????lock = 0?
????return 1
}??
和單機(jī)上的鎖類似褐澎，分布式鎖同樣可以用一個(gè)變量來實(shí)現(xiàn)》ソ客戶端加鎖和釋放鎖的操作邏輯工三，也和單機(jī)上的加鎖和釋放鎖操作邏輯一致：加鎖時(shí)同樣需要判斷鎖變量的值迁酸，根據(jù)鎖變量值來判斷能否加鎖成功；釋放鎖時(shí)需要把鎖變量值設(shè)置為 0俭正，表明客戶端不再持有鎖奸鬓。
和線程在單機(jī)上操作鎖不同的是，在分布式場景下掸读，鎖變量需要由一個(gè)共享存儲(chǔ)系統(tǒng)來維護(hù)串远，只有這樣，多個(gè)客戶端才可以通過訪問共享存儲(chǔ)系統(tǒng)來訪問鎖變量儿惫。相應(yīng)的抑淫，加鎖和釋放鎖的操作就變成了讀取、判斷和設(shè)置共享存儲(chǔ)系統(tǒng)中的鎖變量值姥闪。
so始苇，分布式鎖兩個(gè)要求：
要求一：分布式鎖的加鎖和釋放鎖的過程，涉及多個(gè)操作筐喳。所以催式，在實(shí)現(xiàn)分布式鎖時(shí)，我們需要保證這些鎖操作的原子性避归；
要求二：共享存儲(chǔ)系統(tǒng)保存了鎖變量荣月，如果共享存儲(chǔ)系統(tǒng)發(fā)生故障或宕機(jī)，那么客戶端也就無法進(jìn)行鎖操作了梳毙。在實(shí)現(xiàn)分布式鎖時(shí)哺窄，我們需要考慮保證共享存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)而保證鎖的可靠性账锹。
3萌业、基于單個(gè) Redis 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)分布式鎖
作為分布式鎖實(shí)現(xiàn)過程中的共享存儲(chǔ)系統(tǒng)，Redis 可以使用鍵值對(duì)來保存鎖變量奸柬，再接收和處理不同客戶端發(fā)送的加鎖和釋放鎖的操作請(qǐng)求生年。
要賦予鎖變量一個(gè)變量名，把這個(gè)變量名作為鍵值對(duì)的鍵廓奕，而鎖變量的值抱婉，則是鍵值對(duì)的值，這樣一來桌粉，Redis 就能保存鎖變量了蒸绩，客戶端也就可以通過 Redis 的命令操作來實(shí)現(xiàn)鎖操作。??
1）铃肯、加鎖過程：
2）患亿、解鎖過程：
因?yàn)?b>加鎖包含了三個(gè)操作（讀取鎖變量、判斷鎖變量值以及把鎖變量值設(shè)置為 1）缘薛，而這三個(gè)操作在執(zhí)行時(shí)需要保證原子性窍育，要想保證操作的原子性，有兩種通用的方法宴胧，分別是使用 Redis 的單命令操作和使用 Lua 腳本漱抓。
3）、Redis 單命令加鎖：
首先是 SETNX 命令恕齐，它用于設(shè)置鍵值對(duì)的值乞娄。這個(gè)命令在執(zhí)行時(shí)會(huì)判斷鍵值對(duì)是否存在，如果不存在显歧，就設(shè)置鍵值對(duì)的值仪或，如果存在，就不做任何設(shè)置士骤。
SETNX key value
對(duì)于釋放鎖操作來說范删，我們可以在執(zhí)行完業(yè)務(wù)邏輯后，使用 DEL 命令刪除鎖變量拷肌。
4）到旦、總結(jié)來說，我們就可以用 SETNX 和 DEL 命令組合來實(shí)現(xiàn)加鎖和釋放鎖操作：
// 加鎖
SETNX lock_key 1
// 業(yè)務(wù)邏輯
DO THINGS
// 釋放鎖
DEL lock_key
5）巨缘、使用 SETNX 和 DEL 命令組合實(shí)現(xiàn)分布鎖添忘，存在兩個(gè)潛在的風(fēng)險(xiǎn)：
A、某個(gè)客戶端在執(zhí)行了 SETNX 命令若锁、加鎖之后搁骑，緊接著卻在操作共享數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生了異常，結(jié)果一直沒有執(zhí)行最后的 DEL 命令釋放鎖又固。
因此仲器，鎖就一直被這個(gè)客戶端持有，其它客戶端無法拿到鎖仰冠，也無法訪問共享數(shù)據(jù)和執(zhí)行后續(xù)操作娄周，這會(huì)給業(yè)務(wù)應(yīng)用帶來影響。
解決：給鎖變量設(shè)置一個(gè)過期時(shí)間
B沪停、客戶端 A 執(zhí)行了 SETNX 命令加鎖后煤辨，假設(shè)客戶端 B 執(zhí)行了 DEL 命令釋放鎖，此時(shí)木张，客戶端 A 的鎖就被誤釋放了众辨。
如果客戶端 C 正好也在申請(qǐng)加鎖，就可以成功獲得鎖舷礼，進(jìn)而開始操作共享數(shù)據(jù)鹃彻。這樣一來，客戶端 A 和 C 同時(shí)在對(duì)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行操作妻献，數(shù)據(jù)就會(huì)被修改錯(cuò)誤蛛株，這也是業(yè)務(wù)層不能接受的团赁。
解決：能區(qū)分來自不同客戶端的鎖操作
在加鎖操作時(shí)，可以讓每個(gè)客戶端給鎖變量設(shè)置一個(gè)唯一值谨履，這里的唯一值就可以用來標(biāo)識(shí)當(dāng)前操作的客戶端欢摄。在釋放鎖操作時(shí)，客戶端需要判斷笋粟，當(dāng)前鎖變量的值是否和自己的唯一標(biāo)識(shí)相等怀挠，只有在相等的情況下，才能釋放鎖害捕。這樣一來绿淋，就不會(huì)出現(xiàn)誤釋放鎖的問題了。
6）尝盼、Redis具體怎么實(shí)現(xiàn)分布式鎖的
首先 set 命令：
SETNX 命令的時(shí)候提到吞滞，對(duì)于不存在的鍵值對(duì)，它會(huì)先創(chuàng)建再設(shè)置值（也就是“不存在即設(shè)置”）盾沫，為了能達(dá)到和 SETNX 命令一樣的效果冯吓，Redis 給 SET 命令提供了類似的選項(xiàng) NX，用來實(shí)現(xiàn)“不存在即設(shè)置”疮跑。
如果使用了 NX 選項(xiàng)组贺，SET 命令只有在鍵值對(duì)不存在時(shí)，才會(huì)進(jìn)行設(shè)置祖娘，否則不做賦值操作失尖。
SET 命令在執(zhí)行時(shí)還可以帶上 EX 或 PX 選項(xiàng)，用來設(shè)置鍵值對(duì)的過期時(shí)間渐苏。
執(zhí)行下面的命令時(shí)掀潮，只有 key 不存在時(shí)，SET 才會(huì)創(chuàng)建 key琼富，并對(duì) key 進(jìn)行賦值仪吧。key 的存活時(shí)間由 seconds 或者 milliseconds 選項(xiàng)值來決定。
SET key value [EX seconds | PX milliseconds] [NX]
有了 SET 命令的 NX 和 EX/PX 選項(xiàng)后鞠眉，就可以用下面的命令來實(shí)現(xiàn)加鎖操作：
// 加鎖, unique_value作為客戶端唯一性的標(biāo)識(shí)
SET lock_key unique_value NX PX 10000
unique_value 是客戶端的唯一標(biāo)識(shí)薯鼠，可以用一個(gè)隨機(jī)生成的字符串來表示，PX 10000 則表示 lock_key 會(huì)在 10s 后過期械蹋，以免客戶端在這期間發(fā)生異常而無法釋放鎖出皇。
因?yàn)樵诩渔i操作中，每個(gè)客戶端都使用了一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)（一般是線程ID）哗戈，所以在釋放鎖操作時(shí)郊艘，我們需要判斷鎖變量的值，是否等于執(zhí)行釋放鎖操作的客戶端的唯一標(biāo)識(shí)，如下所示：
//釋放鎖 比較unique_value是否相等纱注，避免誤釋放
if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
? ? return redis.call("del",KEYS[1])
else
? ? return 0
end
這是使用 Lua 腳本（unlock.script）實(shí)現(xiàn)的釋放鎖操作的偽代碼畏浆，其中，KEYS[1]表示 lock_key狞贱，ARGV[1]是當(dāng)前客戶端的唯一標(biāo)識(shí)刻获，這兩個(gè)值都是我們在執(zhí)行 Lua 腳本時(shí)作為參數(shù)傳入的。
最后斥滤，執(zhí)行下面的命令，完成鎖釋放操作：
redis-cli --eval unlock.script lock_key , unique_value
在釋放鎖操作中勉盅，使用了 Lua 腳本佑颇，這是因?yàn)椋?b>釋放鎖操作的邏輯也包含了讀取鎖變量、判斷值草娜、刪除鎖變量的多個(gè)操作挑胸，而 Redis 在執(zhí)行 Lua 腳本時(shí)，可以以原子性的方式執(zhí)行炎功，從而保證了鎖釋放操作的原子性漆腌。
4钉汗、基于多個(gè) Redis 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高可靠的分布式鎖
要實(shí)現(xiàn)高可靠的分布式鎖時(shí)，就不能只依賴單個(gè)的命令操作了解藻，我們需要按照一定的步驟和規(guī)則進(jìn)行加解鎖操作，否則葡盗，就可能會(huì)出現(xiàn)鎖無法工作的情況螟左。
分布式鎖算法 Redlock：Redlock 算法的實(shí)現(xiàn)需要有 N 個(gè)獨(dú)立的 Redis 實(shí)例。
Redlock 算法的基本思路觅够，是讓客戶端和多個(gè)獨(dú)立的 Redis 實(shí)例依次請(qǐng)求加鎖胶背，如果客戶端能夠和半數(shù)以上的實(shí)例成功地完成加鎖操作，那么我們就認(rèn)為喘先，客戶端成功地獲得分布式鎖了钳吟，否則加鎖失敗。
這樣一來窘拯，即使有單個(gè) Redis 實(shí)例發(fā)生故障红且，因?yàn)殒i變量在其它實(shí)例上也有保存，所以涤姊，客戶端仍然可以正常地進(jìn)行鎖操作直焙，鎖變量并不會(huì)丟失。
Redlock?三步完成加鎖操作：
第一步是砂轻，客戶端獲取當(dāng)前時(shí)間奔誓。
第二步是，客戶端按順序依次向 N 個(gè) Redis 實(shí)例執(zhí)行加鎖操作。
這里的加鎖操作和在單實(shí)例上執(zhí)行的加鎖操作一樣厨喂，使用 SET 命令和措，帶上 NX，EX/PX 選項(xiàng)蜕煌，以及帶上客戶端的唯一標(biāo)識(shí)派阱。當(dāng)然，如果某個(gè) Redis 實(shí)例發(fā)生故障了斜纪，為了保證在這種情況下贫母，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(gè)超時(shí)時(shí)間盒刚。
如果客戶端在和一個(gè) Redis 實(shí)例請(qǐng)求加鎖時(shí)腺劣，一直到超時(shí)都沒有成功，那么此時(shí)因块，客戶端會(huì)和下一個(gè) Redis 實(shí)例繼續(xù)請(qǐng)求加鎖橘原。加鎖操作的超時(shí)時(shí)間需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)地小于鎖的有效時(shí)間，一般也就是設(shè)置為幾十毫秒涡上。
第三步是趾断，一旦客戶端完成了和所有 Redis 實(shí)例的加鎖操作，客戶端就要計(jì)算整個(gè)加鎖過程的總耗時(shí)吩愧。
客戶端只有在滿足下面的這兩個(gè)條件時(shí)芋酌，才能認(rèn)為是加鎖成功。
條件一：客戶端從超過半數(shù)（大于等于 N/2+1）的 Redis 實(shí)例上成功獲取到了鎖雁佳；
條件二：客戶端獲取鎖的總耗時(shí)沒有超過鎖的有效時(shí)間隔嫡。
在滿足了這兩個(gè)條件后，我們需要重新計(jì)算這把鎖的有效時(shí)間甘穿，計(jì)算的結(jié)果是鎖的最初有效時(shí)間減去客戶端為獲取鎖的總耗時(shí)腮恩。
如果鎖的有效時(shí)間已經(jīng)來不及完成共享數(shù)據(jù)的操作了，我們可以釋放鎖温兼，以免出現(xiàn)還沒完成數(shù)據(jù)操作秸滴，鎖就過期了的情況。
如果沒能滿足上面兩個(gè)條件募判，客戶端向所有 Redis 節(jié)點(diǎn)發(fā)起釋放鎖的操作荡含。
Redlock 算法中，釋放鎖的操作和在單實(shí)例上釋放鎖的操作一樣届垫，只要執(zhí)行釋放鎖的 Lua 腳本就可以了释液。只要 N 個(gè) Redis 實(shí)例中的半數(shù)以上實(shí)例能正常工作，就能保證分布式鎖的正常工作
實(shí)際的業(yè)務(wù)應(yīng)用中装处，想要提升分布式鎖的可靠性误债，就可以通過 Redlock 算法來實(shí)現(xiàn)。
5、小結(jié)
A寝蹈、分布式鎖是由共享存儲(chǔ)系統(tǒng)維護(hù)的變量李命，多個(gè)客戶端可以向共享存儲(chǔ)系統(tǒng)發(fā)送命令進(jìn)行加鎖或釋放鎖操作。Redis 作為一個(gè)共享存儲(chǔ)系統(tǒng)箫老，可以用來實(shí)現(xiàn)分布式鎖封字。
B、在基于單個(gè) Redis 實(shí)例實(shí)現(xiàn)分布式鎖時(shí)耍鬓，對(duì)于加鎖操作阔籽，我們需要滿足三個(gè)條件。
1）牲蜀、加鎖包括了讀取鎖變量笆制、檢查鎖變量值和設(shè)置鎖變量值三個(gè)操作，但需要以原子操作的方式完成各薇，所以项贺，我們使用 SET 命令帶上 NX 選項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)加鎖君躺；
2）峭判、鎖變量需要設(shè)置過期時(shí)間，以免客戶端拿到鎖后發(fā)生異常棕叫，導(dǎo)致鎖一直無法釋放林螃，所以，在 SET 命令執(zhí)行時(shí)加上 EX/PX 選項(xiàng)俺泣，設(shè)置其過期時(shí)間疗认；
3）、鎖變量的值需要能區(qū)分來自不同客戶端的加鎖操作伏钠，以免在釋放鎖時(shí)横漏，出現(xiàn)誤釋放操作，所以熟掂，使用 SET 命令設(shè)置鎖變量值時(shí)缎浇，每個(gè)客戶端設(shè)置的值是一個(gè)唯一值，用于標(biāo)識(shí)客戶端赴肚。
和加鎖類似素跺，釋放鎖也包含了讀取鎖變量值、判斷鎖變量值和刪除鎖變量三個(gè)操作誉券，不過指厌，無法使用單個(gè)命令來實(shí)現(xiàn)，所以踊跟，采用 Lua 腳本執(zhí)行釋放鎖操作踩验，通過 Redis 原子性地執(zhí)行 Lua 腳本，來保證釋放鎖操作的原子性。
C晰甚、基于單個(gè) Redis 實(shí)例實(shí)現(xiàn)分布式鎖時(shí)衙传，會(huì)面臨實(shí)例異常或崩潰的情況厕九，這會(huì)導(dǎo)致實(shí)例無法提供鎖操作蓖捶，正因?yàn)榇耍?b>Redis 也提供了 Redlock 算法，用來實(shí)現(xiàn)基于多個(gè)實(shí)例的分布式鎖扁远。
這樣一來俊鱼，鎖變量由多個(gè)實(shí)例維護(hù)，即使有實(shí)例發(fā)生了故障畅买，鎖變量仍然是存在的并闲，客戶端還是可以完成鎖操作。Redlock 算法是實(shí)現(xiàn)高可靠分布式鎖的一種有效解決方案谷羞。
