Redis怎么樣實(shí)現(xiàn)分布式鎖

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在一個分布式系統(tǒng)中，會遇到一些需要對多個節(jié)點(diǎn)共享的資源加鎖的情況，這個時候需要用到分布式鎖。分布式鎖通常保存在一個共享的存儲系統(tǒng)中，可以被多個節(jié)點(diǎn)共享和訪問。

鎖的本質(zhì)

簡單來講，鎖可以用一個變量來表示。比如，在一個單機(jī)多線程的程序來說，某個資源的鎖用一個 bit 的數(shù)據(jù)就可以表示。即 0 表示沒有資源可以訪問，1 表示資源的鎖已被別的線程獲取，不能訪問。

獲取和釋放特定資源的鎖，本質(zhì)上就是為獲取和修改這個變量的值。如果值是 0 則將其修改為 1，就完成了獲取的過程，如果訪問到的值不是 0，則獲取鎖失?。蝗绻矮@取了鎖，將表示鎖的變量的值修改為 0 的操作，其實(shí)就是釋放鎖的操作。

在一個分布式場景中，實(shí)現(xiàn)鎖的方式也是一樣的，只不過這個表示資源鎖的變量，需要保存在一個共享的存儲系統(tǒng)中。這個共享的存儲系統(tǒng)，可以是 Redis，也可以是其他的任何可以提供數(shù)據(jù)存儲的系統(tǒng)。

基于 Redis 的分布式鎖實(shí)現(xiàn)

第一步：初步實(shí)現(xiàn)功能

對于將 Redis 作為這個共享存儲系統(tǒng)的情況來說，代表某個資源的鎖的變量，就是 Redis 中的一個鍵值對。假如，需要添加分布式鎖的資源叫 resource_a，我們可以將 Redis 中 resource_a 的鎖變量的 key 叫做 lock_a。

例如，節(jié)點(diǎn)一需要獲取鎖，它會訪問 Redis 中 lock_a 的值，假設(shè)獲取到的值為 0，則節(jié)點(diǎn)一將這個值設(shè)置為 1 后，就完成了加鎖操作。此時，節(jié)點(diǎn)二也需要獲取 resource_a 的鎖，它去訪問 Redis 中 lock_a 的值，發(fā)現(xiàn)值是 1，說明鎖已經(jīng)被別的節(jié)點(diǎn)獲取，并且還沒有釋放，因此，節(jié)點(diǎn)二對資源 resource_a 加鎖失敗。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)一需要釋放鎖的時候，只需要將 Redis 中的 lock_a 的值設(shè)置為 0 就完成了鎖的釋放，之后，其他的節(jié)點(diǎn)就可以再次獲取資源的鎖。

第二步：加鎖操作原子化

以上的描述中，加鎖的并不是一個單一的操作，而是包含了多個步驟：讀取鎖變量、判斷變量的值、修改鎖變量。這三個操作需要原子化。

在 Redis 中，有一個 SETNX 命令，用于設(shè)置鍵值對的值，與 SET 命令不同，它在是先事會判斷鍵值對是否存在，只有當(dāng)指定的 KEY 不存在的時候，才會執(zhí)行值的設(shè)定，否則什么都不執(zhí)行。SETNX 就是「SET if Not eXist」的意思。它的用法與 SET 相同：

SETNX lock_a 1

這樣，當(dāng)需要獲取鎖的時候，使用 SETNX 命令為 lock_a 設(shè)置一個值，如果設(shè)置成功則獲取到了鎖，如果失敗則沒有獲取到鎖；當(dāng)需要釋放鎖的時候，使用 DEL 操作刪除鍵值對即可。

這樣就實(shí)現(xiàn)了獲取和釋放鎖的原子化操作。

第三步：防止加鎖后不釋放

接下來早考慮一個問題，如果節(jié)點(diǎn)一獲取到鎖之后，由于程序異常等原因，導(dǎo)致一直么有釋放鎖，此時，鎖會一直被它持有，無法釋放，其他節(jié)點(diǎn)也無法訪問資源。

為了避免這種情況的發(fā)生，我們必須給鎖變量設(shè)置過期時間，當(dāng)鎖變量過期后，就可以重新請求加鎖，這樣就可以避免這個問題。

SETNX 的命令并沒有設(shè)置過期時間的選項(xiàng)，所幸的是，Redis 為 SET 命令提供了模擬 SETNX 的 NX 選項(xiàng)，我們可以這樣設(shè)置過期時間：

SET lock_a 1 NX PX 10000

以上命令代表，如果 lock_a 不存在，則將它的值設(shè)置為 1，并且在 10 秒后過期。

第四步：誰加鎖誰釋放

最后一個問題是，如果節(jié)點(diǎn)一獲取了鎖，而由于某種原因，節(jié)點(diǎn)二執(zhí)行了 DEL 操作，那么，其他節(jié)點(diǎn)又可以獲取鎖了。

為了解決這個問題，我們可以修改一下鎖變量保存的內(nèi)容。在前面的邏輯中，我們申請鎖的時候，是去判斷鎖變量是否存在，而與其中保存的值關(guān)系不大，因此，我們可以把這個值利用起來。

在加鎖的時候，如果把值保存為每個節(jié)點(diǎn)唯一的標(biāo)識，那么，在釋放鎖執(zhí)行 DEL 之前再對這個值進(jìn)行判斷，那么，就可以先判斷鎖是否是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)加上的，是的話再進(jìn)行釋放，這樣就實(shí)現(xiàn)了「誰加鎖誰是放」。

這一部分，沒有一個單一的指令可以完成讀取鎖變量、判斷、刪除的操作，因此，可以使用 Lua 腳本實(shí)現(xiàn)。在腳本中獲取到當(dāng)前鎖變量的值，與給定的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識進(jìn)行比對，符合的話才進(jìn)行刪除操作，否則不操作。

在釋放鎖時，執(zhí)行 Lua 腳本即可。

第五步：實(shí)現(xiàn)高可用

完善了功能之后，最后再來實(shí)現(xiàn)高可用。如果我們使用單一的 Redis 作為分布式鎖的共享存儲系統(tǒng)，那么，如果這個 Redis 不可用了，那涉及到分布式鎖的部分都不可用了，這樣是很脆鎖的，這是高可用非常有必要的原因。

此時，需要搬出 Redis 的作者 Antirez 提出的分布式鎖算法 Redlock。簡而言之，是讓鎖的申請者，想多個獨(dú)立的 Redis 實(shí)例請求加鎖，如果能在半數(shù)以上的 Redis 完成枷鎖操作，那么就成功的獲取了鎖，反之獲取失敗。

在釋放鎖的操作時，同樣只要在超過半數(shù)的實(shí)例上執(zhí)行成功刪除鎖變量的 Lua 腳本，即可視為成功。

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