Redis魔法：點燃分布式鎖的奇妙實現
哈嘍，大家好，我是了不起。
分布式鎖是一種用于在分布式系統中控制對共享資源的訪問的鎖。它與傳統的單機鎖不同，因為它需要在多個節點之間協調以確保互斥訪問。
本文將介紹什么是分布式鎖，以及使用Redis實現分布式鎖的幾種方案。
前言
了解分布式鎖之前，需要先了解一下
- 線程鎖
- 進程鎖
- CAP理論
線程鎖
線程鎖主要用來給方法、代碼塊加鎖。
當某個方法或代碼使用鎖，在同一時刻僅有一個線程執行該方法或該代碼段。
線程鎖只在同一JVM中有效果，因為線程鎖的實現，是通過線程之間共享內存實現的，
一般實現方法：
- Synchronized
- Lock
進程鎖
進程鎖是控制同一操作系統中多個進程訪問某個共享資源
進程具有獨立性，各個進程無法訪問其他進程的資源，因此無法通過synchronized等線程鎖實現進程鎖。
CAP理論
任何一個分布式系統都無法同時滿足
- 一致性（Consistency）
- 可用性（Availability）
- 分區容錯性（Partition tolerance）
最多只能同時滿足兩項。
分布式鎖
概念
如果不同的系統或同一個系統的不同主機之間共享了某個臨界資源，往往需要互斥來防止彼此干擾，以保證一致性，就產生了分布式鎖。包含三個要素：
- 分布式系統
- 不同進程
- 共同訪問共享資源
分布式鎖，實現的是CA，即一致性和可用性
特性
- 互斥性: 任意時刻，只有一個客戶端能持有鎖。
- 鎖超時釋放：持有鎖超時，可以釋放，防止不必要的資源浪費，也可以防止死鎖。
- 可重入性:一個線程如果獲取了鎖之后,可以再次對其請求加鎖。
- 高性能和高可用：加鎖和解鎖需要開銷盡可能低，同時也要保證高可用，避免分布式鎖失效。
- 安全性：鎖只能被持有的客戶端刪除，不能被其他客戶端刪除。
實現方案
Redisson框架
框架介紹
Redisson是一款基于Java的Redis客戶端，它封裝了Redis的Java客戶端Jedis、Lettuce等，并且提供了許多額外的功能，例如分布式鎖、分布式集合、分布式對象、布隆過濾器等。
框架特點
- 提供了豐富的API，簡單易用。
- 提供了多種數據結構的實現，如分布式鎖、分布式集合、分布式Map、分布式Queue等。
- 支持多種Redis部署方式，如單節點、主從、哨兵、集群等。
- 提供了基于Netty的高性能的Redis連接池。
- 提供了基于Ramp模型的分布式遠程調用框架，可以方便的進行分布式服務調用。
簡單示例
- 引入Redisson的依賴
<dependency>
<groupId>org.redisson</groupId>
<artifactId>redisson</artifactId>
<version>3.16.0</version>
</dependency>- 創建RedissonClient對象
Config config = new Config();
config.useSingleServer().setAddress("redis://127.0.0.1:6379");
RedissonClient redissonClient = Redisson.create(config);- 使用RedissonClient對象進行數據操作
// 獲取字符串對象
RBucket<String> bucket = redissonClient.getBucket("myKey");
bucket.set("myValue");
// 獲取Map對象
RMap<String, String> map = redissonClient.getMap("myMap");
map.put("key1", "value1");
// 獲取分布式鎖對象
RLock lock = redissonClient.getLock("myLock");
lock.lock();
try {
// do something
} finally {
lock.unlock();
}基于SETNX命令實現
通過使用Redis中的SETNX命令（即SET if Not eXists），可以實現一個簡單的分布式鎖。
SETNX命令是Redis中的一種原子性操作，用于將一個鍵值對（key-value）設置到Redis中，僅在鍵不存在時才會設置成功，否則設置失敗。利用SETNX命令的特性，可以實現分布式鎖的機制，具體步驟如下：
- 設置鎖：在Redis中設置一個鍵值對，鍵為鎖名稱，值為一個隨機生成的字符串，同時設置過期時間（防止鎖一直存在，導致死鎖）。可以使用以下Redis命令：
SETNX lock_name random_value
EXPIRE lock_name expire_time- 獲取鎖：如果SETNX命令返回1，則說明鎖設置成功，此時獲取到了鎖；如果返回0，則說明鎖已經被其他節點持有，此時需要等待一段時間后重試獲取鎖。
- 釋放鎖：釋放鎖時，需要先判斷當前線程持有的鎖是否與之前設置的鎖名稱和值相同，如果相同，則通過DEL命令刪除該鍵值對，釋放鎖。
if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then
return redis.call('del', KEYS[1])
else
return 0
end基于RedLock實現
RedLock是一個多節點分布式鎖算法，它基于Redis和一些簡單的算法來實現高可用的分布式鎖。
與傳統的Redis分布式鎖方案相比，RedLock可以更好地應對網絡故障和硬件故障等異常情況，提高系統的可用性和穩定性。
RedLock算法的基本思想是：將鎖的持有和釋放過程轉化為一個競爭資源的問題，通過多節點協作的方式來實現鎖的分配和釋放。
具體步驟如下：
- 對于要加鎖的資源，計算出一個唯一的標識（比如使用hash函數將資源名稱轉化為一個32位整數），作為鎖的名稱。
- 獲取多個Redis節點的當前時間戳，并計算出一個時鐘偏差（clock drift）。時鐘偏差可以通過取多個Redis節點的時間戳的平均值來計算。這樣可以避免不同Redis節點之間的時間不同步而導致的鎖沖突問題。
- 獲取鎖：對于每個Redis節點，嘗試通過SET命令獲取鎖。如果獲取鎖成功，則記錄鎖的名稱、鎖的值（一個隨機字符串）、過期時間以及Redis節點的標識信息（比如IP地址和端口號）。如果獲取鎖失敗，則記錄失敗的節點信息。
- 判斷獲取鎖的結果：統計獲取鎖成功的節點數，并根據Quorum算法（投票算法）來判斷是否獲取鎖成功。如果獲取鎖成功的節點數大于等于N/2+1（其中N為Redis節點數），則表示鎖獲取成功；否則，表示鎖獲取失敗。
- 執行結果：如果鎖獲取成功，則執行相應的業務邏輯；如果鎖獲取失敗，則需要嘗試在所有失敗的節點中找到一個最新的鎖并釋放它，以避免死鎖問題。
- 釋放鎖：釋放鎖時，需要根據鎖的名稱和值來判斷當前節點是否持有該鎖。如果當前節點持有該鎖，則通過DEL命令刪除該鍵值對，釋放鎖。
需要注意的是，RedLock算法并不能保證絕對的可用性和正確性，仍然可能存在某些特殊情況下的鎖沖突問題。
因此，在實際應用中，需要根據具體業務場景和需求來選擇適合的分布式鎖方案，并進行充分的測試和優化。
基于Lua腳本實現
在Redis中可以使用Lua腳本來實現分布式鎖，其基本思想是通過原子操作將鎖的獲取和釋放過程合并為一個操作，保證鎖的原子性和一致性。
使用Lua腳本可以在Redis中實現一個基于SET命令的分布式鎖，具體實現步驟如下：
- 生成一個隨機字符串作為鎖的值，以確保不同的客戶端使用的鎖值不同。
- 使用SET命令將鎖名作為key，鎖值作為value，過期時間作為expire參數來設置鎖，加上NX（Not eXist）選項，只有當key不存在時才設置成功。
- 在Lua腳本中使用eval命令執行以下腳本：
if redis.call('set', KEYS[1], ARGV[1], 'NX', 'PX', ARGV[2]) then
return 1
else
return 0
end其中，KEYS[1]表示鎖的名稱，ARGV[1]表示鎖的值，ARGV[2]表示鎖的過期時間。
- 結果：如果eval命令返回1，則表示獲取鎖成功；如果返回0，則表示獲取鎖失敗。
- 釋放鎖時，可以使用DEL命令刪除鎖的名稱即可。
下面是一個完整的Lua例子：
if redis.call('setnx', KEYS[1], ARGV[1]) == 1 then
redis.call('expire', KEYS[1], ARGV[2])
return 1
else
return 0
end
-- 釋放鎖
if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then
return redis.call('del', KEYS[1])
else
return 0
end上面的代碼包括兩個部分：獲取鎖和釋放鎖。
- 獲取鎖：使用setnx命令來嘗試獲取鎖。如果獲取成功，則設置鎖的過期時間，并返回1表示獲取鎖成功；否則，返回0表示獲取鎖失敗。
- 釋放鎖：先通過get命令獲取鎖的值，判斷當前節點是否持有該鎖。如果持有，則使用del命令刪除該鍵值對并返回1表示釋放鎖成功；否則，返回0表示釋放鎖失敗。
總結
上面提到的通過Redis實現的分布式鎖幾種方案，在高并發的情況下，可能存在鎖沖突的問題，因此需要根據實際業務場景來選擇適合的鎖方案，并進行充分的測試和優化。
