前言
日常開發中，秒殺下單、搶紅包等等業務場景，都需要用到分布式鎖。而Redis非常适合作為分布式鎖使用。本文将分七個方案展開，跟大家探讨Redis分布式鎖的正确使用方式。如果有不正确的地方，歡迎大家指出哈，一起學習一起進步。
公衆号：Java爛豬皮
- 什麼是分布式鎖
- 方案一：SETNX + EXPIRE
- 方案二：SETNX + value值是（系統時間+過期時間）
- 方案三：使用Lua腳本(包含SETNX + EXPIRE兩條指令)
- 方案四：SET的擴充指令（SET EX PX NX）
- 方案五：SET EX PX NX + 校驗唯一随機值,再釋放鎖
- 方案六: 開源架構:Redisson
- 方案七：多機實作的分布式鎖Redlock
什麼是分布式鎖
分布式鎖其實就是，控制分布式系統不同程序共同通路共享資源的一種鎖的實作。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幹擾，以保證一緻性。
我們先來看下，一把靠譜的分布式鎖應該有哪些特征：
- 互斥性: 任意時刻，隻有一個用戶端能持有鎖。
- 鎖逾時釋放：持有鎖逾時，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:一個線程如果擷取了鎖之後,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：鎖隻能被持有的用戶端删除，不能被其他用戶端删除
Redis分布式鎖方案一：SETNX + EXPIRE
提到Redis的分布式鎖，很多小夥伴馬上就會想到setnx+ expire指令。即先用setnx來搶鎖，如果搶到之後，再用expire給鎖設定一個過期時間，防止鎖忘記了釋放。
SETNX 是SET IF NOT EXISTS的簡寫.日常指令格式是SETNX key value，如果 key不存在，則SETNX成功傳回1，如果這個key已經存在了，則傳回0。
假設某電商網站的某商品做秒殺活動，key可以設定為key_resource_id,value設定任意值，僞代碼如下：
（jedis.setnx(key_resource_id,lock_value) == 1）{ //加鎖
expire（key_resource_id，100）; //設定過期時間
try {
do something //業務請求
}catch(){
}
finally {
jedis.del(key_resource_id); //釋放鎖
}
}
但是這個方案中，setnx和expire兩個指令分開了，不是原子操作。如果執行完setnx加鎖，正要執行expire設定過期時間時，程序crash或者要重新開機維護了，那麼這個鎖就“長生不老”了，别的線程永遠擷取不到鎖啦。
Redis分布式鎖方案二：SETNX + value值是(系統時間+過期時間)
為了解決方案一，發生異常鎖得不到釋放的場景，有小夥伴認為，可以把過期時間放到setnx的value值裡面。如果加鎖失敗，再拿出value值校驗一下即可。加鎖代碼如下：
long expires = System.currentTimeMillis() + expireTime; //系統時間+設定的過期時間
String expiresStr = String.valueOf(expires);
// 如果目前鎖不存在，傳回加鎖成功
if (jedis.setnx(key_resource_id, expiresStr) == 1) {
return true;
}
// 如果鎖已經存在，擷取鎖的過期時間
String currentValueStr = jedis.get(key_resource_id);
// 如果擷取到的過期時間，小于系統目前時間，表示已經過期
if (currentValueStr != null && Long.parseLong(currentValueStr) < System.currentTimeMillis()) {
// 鎖已過期，擷取上一個鎖的過期時間，并設定現在鎖的過期時間（不了解redis的getSet指令的小夥伴，可以去官網看下哈）
String oldValueStr = jedis.getSet(key_resource_id, expiresStr);
if (oldValueStr != null && oldValueStr.equals(currentValueStr)) {
// 考慮多線程并發的情況，隻有一個線程的設定值和目前值相同，它才可以加鎖
return true;
}
}
//其他情況，均傳回加鎖失敗
return false;
}
這個方案的優點是，巧妙移除expire單獨設定過期時間的操作，把過期時間放到setnx的value值裡面來。解決了方案一發生異常，鎖得不到釋放的問題。但是這個方案還有别的缺點：
過期時間是用戶端自己生成的（System.currentTimeMillis()是目前系統的時間），必須要求分布式環境下，每個用戶端的時間必須同步。 如果鎖過期的時候，并發多個用戶端同時請求過來，都執行jedis.getSet()，最終隻能有一個用戶端加鎖成功，但是該用戶端鎖的過期時間，可能被别的用戶端覆寫 該鎖沒有儲存持有者的唯一辨別，可能被别的用戶端釋放/解鎖。
Redis分布式鎖方案三：使用Lua腳本(包含SETNX + EXPIRE兩條指令)
實際上，我們還可以使用Lua腳本來保證原子性（包含setnx和expire兩條指令），lua腳本如下：
if redis.call('setnx',KEYS[1],ARGV[1]) == 1 then
redis.call('expire',KEYS[1],ARGV[2])
else
return 0
end;
加鎖代碼如下：
String lua_scripts = "if redis.call('setnx',KEYS[1],ARGV[1]) == 1 then" +
" redis.call('expire',KEYS[1],ARGV[2]) return 1 else return 0 end";
Object result = jedis.eval(lua_scripts, Collections.singletonList(key_resource_id), Collections.singletonList(values));
//判斷是否成功
return result.equals(1L);
這個方案還是有缺點的哦，至于哪些缺點，你先思考一下。也可以想下。跟方案二對比，哪個更好？
Redis分布式鎖方案方案四：SET的擴充指令（SET EX PX NX）
除了使用，使用Lua腳本，保證SETNX + EXPIRE兩條指令的原子性，我們還可以巧用Redis的SET指令擴充參數！（SET key value[EX seconds][PX milliseconds][NX|XX]），它也是原子性的！
SET key value[EX seconds][PX milliseconds][NX|XX]
NX :表示key不存在的時候，才能set成功，也即保證隻有第一個用戶端請求才能獲得鎖，而其他用戶端請求隻能等其釋放鎖，才能擷取。 EX seconds :設定key的過期時間，時間機關是秒。 PX milliseconds: 設定key的過期時間，機關為毫秒 XX: 僅當key存在時設定值
僞代碼demo如下：
（jedis.set(key_resource_id, lock_value, "NX", "EX", 100s) == 1）{ //加鎖
try {
do something //業務處理
}catch(){
}
finally {
jedis.del(key_resource_id); //釋放鎖
}
}
但是呢，這個方案還是可能存在問題：
- 問題一：鎖過期釋放了，業務還沒執行完。假設線程a擷取鎖成功，一直在執行臨界區的代碼。但是100s過去後，它還沒執行完。但是，這時候鎖已經過期了，此時線程b又請求過來。顯然線程b就可以獲得鎖成功，也開始執行臨界區的代碼。那麼問題就來了，臨界區的業務代碼都不是嚴格串行執行的啦。
- 問題二：鎖被别的線程誤删。假設線程a執行完後，去釋放鎖。但是它不知道目前的鎖可能是線程b持有的（線程a去釋放鎖時，有可能過期時間已經到了，此時線程b進來占有了鎖）。那線程a就把線程b的鎖釋放掉了，但是線程b臨界區業務代碼可能都還沒執行完呢。
方案五：SET EX PX NX + 校驗唯一随機值,再删除
既然鎖可能被别的線程誤删，那我們給value值設定一個标記目前線程唯一的随機數，在删除的時候，校驗一下，不就OK了嘛。僞代碼如下：
（jedis.set(key_resource_id, uni_request_id, "NX", "EX", 100s) == 1）{ //加鎖
try {
do something //業務處理
}catch(){
}
finally {
//判斷是不是目前線程加的鎖,是才釋放
if (uni_request_id.equals(jedis.get(key_resource_id))) {
jedis.del(lockKey); //釋放鎖
}
}
}
在這裡，判斷是不是目前線程加的鎖和釋放鎖不是一個原子操作。如果調用jedis.del()釋放鎖的時候，可能這把鎖已經不屬于目前用戶端，會解除他人加的鎖。
為了更嚴謹，一般也是用lua腳本代替。lua腳本如下：
if redis.call('get',KEYS[1]) == ARGV[1] then
return redis.call('del',KEYS[1])
else
return 0
end;
Redis分布式鎖方案六：Redisson架構
方案五還是可能存在鎖過期釋放，業務沒執行完的問題。有些小夥伴認為，稍微把鎖過期時間設定長一些就可以啦。其實我們設想一下，是否可以給獲得鎖的線程，開啟一個定時守護線程，每隔一段時間檢查鎖是否還存在，存在則對鎖的過期時間延長，防止鎖過期提前釋放。
目前開源架構Redisson解決了這個問題。我們一起來看下Redisson底層原理圖吧：
隻要線程一加鎖成功，就會啟動一個watch dog看門狗，它是一個背景線程，會每隔10秒檢查一下，如果線程1還持有鎖，那麼就會不斷的延長鎖key的生存時間。是以，Redisson就是使用Redisson解決了鎖過期釋放，業務沒執行完問題。
Redis分布式鎖方案七：多機實作的分布式鎖Redlock+Redisson
前面六種方案都隻是基于單機版的讨論，還不是很完美。其實Redis一般都是叢集部署的：
如果線程一在Redis的master節點上拿到了鎖，但是加鎖的key還沒同步到slave節點。恰好這時，master節點發生故障，一個slave節點就會更新為master節點。線程二就可以擷取同個key的鎖啦，但線程一也已經拿到鎖了，鎖的安全性就沒了。
為了解決這個問題，Redis作者 antirez提出一種進階的分布式鎖算法：Redlock。Redlock核心思想是這樣的：
搞多個Redis master部署，以保證它們不會同時宕掉。并且這些master節點是完全互相獨立的，互相之間不存在資料同步。同時，需要確定在這多個master執行個體上，是與在Redis單執行個體，使用相同方法來擷取和釋放鎖。
我們假設目前有5個Redis master節點，在5台伺服器上面運作這些Redis執行個體。
RedLock的實作步驟:如下
1.擷取目前時間，以毫秒為機關。 2.按順序向5個master節點請求加鎖。用戶端設定網絡連接配接和響應逾時時間，并且逾時時間要小于鎖的失效時間。（假設鎖自動失效時間為10秒，則逾時時間一般在5-50毫秒之間,我們就假設逾時時間是50ms吧）。如果逾時，跳過該master節點，盡快去嘗試下一個master節點。 3.用戶端使用目前時間減去開始擷取鎖時間（即步驟1記錄的時間），得到擷取鎖使用的時間。當且僅當超過一半（N/2+1，這裡是5/2+1=3個節點）的Redis master節點都獲得鎖，并且使用的時間小于鎖失效時間時，鎖才算擷取成功。（如上圖，10s> 30ms+40ms+50ms+4m0s+50ms） 如果取到了鎖，key的真正有效時間就變啦，需要減去擷取鎖所使用的時間。 如果擷取鎖失敗（沒有在至少N/2+1個master執行個體取到鎖，有或者擷取鎖時間已經超過了有效時間），用戶端要在所有的master節點上解鎖（即便有些master節點根本就沒有加鎖成功，也需要解鎖，以防止有些漏網之魚）。
簡化下步驟就是：
- 按順序向5個master節點請求加鎖
- 根據設定的逾時時間來判斷，是不是要跳過該master節點。
- 如果大于等于三個節點加鎖成功，并且使用的時間小于鎖的有效期，即可認定加鎖成功啦。
- 如果擷取鎖失敗，解鎖！
Redisson實作了redLock版本的鎖，有興趣的小夥伴，可以去了解一下哈~
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作者：撿田螺的小男孩
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