Redis 魔法：点燃分布式锁的奇妙实现

分布式锁是一种用于在分布式系统中控制对共享资源的访问的锁。它与传统的单机锁不同，因为它需要在多个节点之间协调以确保互斥访问。

本文将介绍什么是分布式锁，以及使用 Redis 实现分布式锁的几种方案。

一、前言

了解分布式锁之前，需要先了解一下

• 线程锁

• 进程锁

• CAP 理论

线程锁

线程锁主要用来给方法、代码块加锁。

当某个方法或代码使用锁，在同一时刻仅有一个线程执行该方法或该代码段。

线程锁只在同一 JVM 中有效果，因为线程锁的实现，是通过线程之间共享内存实现的，

一般实现方法：

• Synchronized

• Lock

进程锁

进程锁是控制同一操作系统中多个进程访问某个共享资源

进程具有独立性，各个进程无法访问其他进程的资源，因此无法通过 synchronized 等线程锁实现进程锁。

CAP 理论

任何一个分布式系统都无法同时满足

• 一致性（Consistency）

• 可用性（Availability）

• 分区容错性（Partition tolerance）

最多只能同时满足两项。

二、分布式锁

概念

如果不同的系统或同一个系统的不同主机之间共享了某个临界资源，往往需要互斥来防止彼此干扰，以保证一致性，就产生了分布式锁。包含三个要素：

• 分布式系统

• 不同进程

• 共同访问共享资源

分布式锁，实现的是 CA，即一致性和可用性

特性

• 互斥性：任意时刻，只有一个客户端能持有锁。

• 锁超时释放：持有锁超时，可以释放，防止不必要的资源浪费，也可以防止死锁。

• 可重入性：一个线程如果获取了锁之后,可以再次对其请求加锁。

• 高性能和高可用：加锁和解锁需要开销尽可能低，同时也要保证高可用，避免分布式锁失效。

• 安全性：锁只能被持有的客户端删除，不能被其他客户端删除。

三、实现方案

Redisson 框架

框架介绍

Redisson 是一款基于 Java 的 Redis 客户端，它封装了 Redis 的 Java 客户端 Jedis、Lettuce 等，并且提供了许多额外的功能，例如分布式锁、分布式集合、分布式对象、布隆过滤器等。

框架特点

1. 提供了丰富的 API，简单易用。

2. 提供了多种数据结构的实现，如分布式锁、分布式集合、分布式 Map、分布式 Queue 等。

3. 支持多种 Redis 部署方式，如单节点、主从、哨兵、集群等。

4. 提供了基于 Netty 的高性能的 Redis 连接池。

5. 提供了基于 Ramp 模型的分布式远程调用框架，可以方便的进行分布式服务调用。

简单示例

1. 引入 Redisson 的依赖

<dependency>    <groupId>org.redisson</groupId>    <artifactId>redisson</artifactId>    <version>3.16.0</version></dependency>

1. 创建 RedissonClient 对象

Config config = new Config();config.useSingleServer().setAddress("redis://127.0.0.1:6379");RedissonClient redissonClient = Redisson.create(config);

1. 使用 RedissonClient 对象进行数据操作

// 获取字符串对象RBucket<String> bucket = redissonClient.getBucket("myKey");bucket.set("myValue"); // 获取Map对象RMap<String, String> map = redissonClient.getMap("myMap");map.put("key1", "value1"); // 获取分布式锁对象RLock lock = redissonClient.getLock("myLock");lock.lock();try {    // do something} finally {    lock.unlock();}

基于 SETNX 命令实现

通过使用 Redis 中的 SETNX 命令（即 SET if Not eXists），可以实现一个简单的分布式锁。

SETNX 命令是 Redis 中的一种原子性操作，用于将一个键值对（key-value）设置到 Redis 中，仅在键不存在时才会设置成功，否则设置失败。利用 SETNX 命令的特性，可以实现分布式锁的机制，具体步骤如下：

• 设置锁：在 Redis 中设置一个键值对，键为锁名称，值为一个随机生成的字符串，同时设置过期时间（防止锁一直存在，导致死锁）。可以使用以下 Redis 命令：

SETNX lock_name random_valueEXPIRE lock_name expire_time

• 获取锁：如果 SETNX 命令返回 1，则说明锁设置成功，此时获取到了锁；如果返回 0，则说明锁已经被其他节点持有，此时需要等待一段时间后重试获取锁。

• 释放锁：释放锁时，需要先判断当前线程持有的锁是否与之前设置的锁名称和值相同，如果相同，则通过 DEL 命令删除该键值对，释放锁。

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

基于 RedLock 实现

RedLock 是一个多节点分布式锁算法，它基于 Redis 和一些简单的算法来实现高可用的分布式锁。

与传统的 Redis 分布式锁方案相比，RedLock 可以更好地应对网络故障和硬件故障等异常情况，提高系统的可用性和稳定性。

RedLock 算法的基本思想是：将锁的持有和释放过程转化为一个竞争资源的问题，通过多节点协作的方式来实现锁的分配和释放。

具体步骤如下：

1. 对于要加锁的资源，计算出一个唯一的标识（比如使用 hash 函数将资源名称转化为一个 32 位整数），作为锁的名称。

2. 获取多个 Redis 节点的当前时间戳，并计算出一个时钟偏差（clock drift）。时钟偏差可以通过取多个 Redis 节点的时间戳的平均值来计算。这样可以避免不同 Redis 节点之间的时间不同步而导致的锁冲突问题。

3. 获取锁：对于每个 Redis 节点，尝试通过 SET 命令获取锁。如果获取锁成功，则记录锁的名称、锁的值（一个随机字符串）、过期时间以及 Redis 节点的标识信息（比如 IP 地址和端口号）。如果获取锁失败，则记录失败的节点信息。

4. 判断获取锁的结果：统计获取锁成功的节点数，并根据 Quorum 算法（投票算法）来判断是否获取锁成功。如果获取锁成功的节点数大于等于 N/2+1（其中 N 为 Redis 节点数），则表示锁获取成功；否则，表示锁获取失败。

5. 执行结果：如果锁获取成功，则执行相应的业务逻辑；如果锁获取失败，则需要尝试在所有失败的节点中找到一个最新的锁并释放它，以避免死锁问题。

6. 释放锁：释放锁时，需要根据锁的名称和值来判断当前节点是否持有该锁。如果当前节点持有该锁，则通过 DEL 命令删除该键值对，释放锁。

需要注意的是，RedLock 算法并不能保证绝对的可用性和正确性，仍然可能存在某些特殊情况下的锁冲突问题。

因此，在实际应用中，需要根据具体业务场景和需求来选择适合的分布式锁方案，并进行充分的测试和优化。

基于 Lua 脚本实现

在 Redis 中可以使用 Lua 脚本来实现分布式锁，其基本思想是通过原子操作将锁的获取和释放过程合并为一个操作，保证锁的原子性和一致性。

使用 Lua 脚本可以在 Redis 中实现一个基于 SET 命令的分布式锁，具体实现步骤如下：

1. 生成一个随机字符串作为锁的值，以确保不同的客户端使用的锁值不同。

2. 使用 SET 命令将锁名作为 key，锁值作为 value，过期时间作为 expire 参数来设置锁，加上 NX（Not eXist）选项，只有当 key 不存在时才设置成功。

3. 在 Lua 脚本中使用 eval 命令执行以下脚本：

if redis.call('set', KEYS[1], ARGV[1], 'NX', 'PX', ARGV[2]) then    return 1else    return 0end

其中，KEYS[1]表示锁的名称，ARGV[1]表示锁的值，ARGV[2]表示锁的过期时间。

1. 结果：如果 eval 命令返回 1，则表示获取锁成功；如果返回 0，则表示获取锁失败。

2. 释放锁时，可以使用 DEL 命令删除锁的名称即可。

下面是一个完整的 Lua 例子：

if redis.call('setnx', KEYS[1], ARGV[1]) == 1 then    redis.call('expire', KEYS[1], ARGV[2])    return 1else    return 0end -- 释放锁if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then    return redis.call('del', KEYS[1])else    return 0end

上面的代码包括两个部分：获取锁和释放锁。

• 获取锁：使用 setnx 命令来尝试获取锁。如果获取成功，则设置锁的过期时间，并返回 1 表示获取锁成功；否则，返回 0 表示获取锁失败。

• 释放锁：先通过 get 命令获取锁的值，判断当前节点是否持有该锁。如果持有，则使用 del 命令删除该键值对并返回 1 表示释放锁成功；否则，返回 0 表示释放锁失败。

总结

上面提到的通过 Redis 实现的分布式锁几种方案，在高并发的情况下，可能存在锁冲突的问题，因此需要根据实际业务场景来选择适合的锁方案，并进行充分的测试和优化。