以步步为营的风格解读 Redis分布式锁

之前码甲哥写了两篇有关线程安全的文章：

• 你管这叫线程安全？
• .NET八股文：线程同步技术解读

分布式锁是"线程同步"的延续

最近首度应用"分布式锁"，现在想想，分布式锁不是孤立的技能点，这其实就是跨主机的线程同步。

进程内--->	跨进程--->	跨主机
Lock/Monitor、SemaphoreSlim	Metux、Semaphore	分布式锁
用户态线程安全	（命名对象是）内核态线程安全

单机服务器可以通过共享某堆内存来标记上锁/解锁，线程同步说到底是建立在单机操作系统的用户态/内核态对共享内存的访问控制。

而分布式服务器不是在同一台机器上：跨主机，因此需要将内存标记存储在所有机器进程都能看到的地方 。。。

在开发很多业务场景会使用到锁，例如库存控制，抽奖等。
例如库存只剩1个商品，有三个用户同时打算购买，谁先购买库存立即清零，不能让其他二人也购买成功。

解读分布式锁

我们常说的线程安全、线程同步方案，包括此次的分布式锁都是基于“多线程/多进程对特定资源有更新操作”。

基本考量:

1. 分布式系统，一个锁在同一时间只能被一个服务器获取 (这是分布式锁的基础)
2. 具备锁失效机制，防止死锁 (防止某些意外，锁没有得到释放，那别人也无法得到锁)

Redis set命令是一种最简单的分布式锁实现方案。

SET key value [NX | XX] [GET] [EX seconds | PX milliseconds |
  EXAT unix-time-seconds | PXAT unix-time-milliseconds | KEEPTTL]
 
- NX  只有在键不存在时才设置它
- XX  只有当键已经存在时才设置它
- KEEPTTL  保留与该键关联的生存时间。
 
Simple string reply: OK if SET was executed correctly.
 
Null reply:  (nil) if the key did not exist.

上面的命令返回OK(或经过重试)，客户端就获取到这个锁；
使用DEL命令解锁；
到达超时时间会自动释放锁。

在解锁时，增加一些设计，让系统更加健壮：

3. 不要使用固定的String值作为锁值，而是使用一个不易被猜中的随机值， 业内称为token
4. 不使用DEL命令释放锁，而是发送script去移除key

第3、4点是为了解决 ：“锁提前过期，客户端A还没有执行完，然后客户端B获取了锁，这时客户端A执行完了，会不会在删锁的时候把B的锁给删掉” --
4是3技术上的事务实现

脚本如下：

if redis.call("get",KEYS1] ==ARGV[1])
then
   return  redis.call("DEL",KEYS[1])
else
  return 0
end

下面使用StackExchange.Redis 写了基于以上考量的代码示例：

 
        /// <summary>
        /// Acquires the lock.
        /// </summary>
        /// <param name="key"></param>
        /// <param name="token">随机值</param>
        /// <param name="expireSecond"></param>
        /// <param name="waitLockSeconds">非阻塞锁</param>
        static bool Lock(string key, string token,int expireSecond=10, double waitLockSeconds = 0)
        {
            var waitIntervalMs = 50;
            bool isLock;
            
            DateTime begin = DateTime.Now;
            do
            {
                isLock = Connection.GetDatabase().StringSet(key, token, TimeSpan.FromSeconds(expireSecond), When.NotExists);
                if (isLock)
                    return true;
 
                //不等待锁则返回
                if (waitLockSeconds == 0) break;
                //超过等待时间，则不再等待
                if ((DateTime.Now - begin).TotalSeconds >= waitLockSeconds) break;
 
                Thread.Sleep(waitIntervalMs);
            } while (!isLock);
            return false;
        }
 
        /// <summary>  
        /// Releases the lock.  
        /// </summary>  
        /// <returns><c>true</c>, if lock was released, <c>false</c> otherwise.</returns>  
        /// <param name="key">Key.</param>  
        /// <param name="value">value</param>  
        static bool UnLock(string key, string value)
        {
            string lua_script = @"  
                if (redis.call('GET', KEYS[1]) == ARGV[1]) then  
                    redis.call('DEL', KEYS[1])  
                    return true  
                else  
                    return false  
                end  
                ";
 
            try
            {
                var res = Connection.GetDatabase().ScriptEvaluate(lua_script,
                                                           new RedisKey[] { key },
                                                           new RedisValue[] { value });
                return (bool)res;
            }
            catch (Exception ex)
            {
                Console.WriteLine($"ReleaseLock lock fail...{ex.Message}");
                return false;
            }
        }
        
        private static Lazy<ConnectionMultiplexer> lazyConnection = new Lazy<ConnectionMultiplexer>(() =>
        {
            ConfigurationOptions configuration = new ConfigurationOptions
            {
                AbortOnConnectFail = false,
                ConnectTimeout = 5000,
            };
 
            configuration.EndPoints.Add("10.100.219.9", 6379);
 
            return ConnectionMultiplexer.Connect(configuration.ToString());
        }); 
        public static ConnectionMultiplexer Connection => lazyConnection.Value;

以上代码新增了第五点考量：

5. 为避免无限制抢锁，增加了非阻塞锁： 轮询_s等待锁，未等到则不再抢锁

使用方式：

下面并行开启三个任务，减少库存：

  static void Main(string[] args)
        {
            // 尝试并行执行3个任务
            Parallel.For(0, 3, x =>
            {
                string token = $"loki:{x}";
                bool isLocked = Lock("loki", token, 5, 10);
            
                if (isLocked)
                {
                    Console.WriteLine($"{token} begin reduce stocks (with lock) at {DateTime.Now}.");
                    Thread.Sleep(1000);
                    Console.WriteLine($"{token} release lock {UnLock("loki", token)} at {DateTime.Now}. ");
                }
                else
                {
                    Console.WriteLine($"Not acquire {token} lock at {DateTime.Now}.");
                }
            });
        }

输出总结

回到原下单场景，我们针对这个商品Id，设置了分布式锁，高并发秒杀这个商品的时候，获取/释放这个特定的锁。

该锁不是全局的，针对这个商品的分布式锁并不会影响其他商品的购物流程。

本文从基础的线程安全，八卦文线程同步，延伸到跨主机的资源线程/进程安全， 其中演示了利用RedisSET命令做分布式锁的设计方案，虽然是面试八股文，我们依旧需要仔细揣摩Redis Lock的细节考量。

分布式锁 一方面锁定资源，另一方面开发者要考虑多进程执行代码的推演，这在某种意义是也是对代码加锁。