Redis系列13：分布式锁实现

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1 先来了解下分布式锁

1.1 什么是分布式锁

分布式锁，即分布式系统中的锁，我们通过锁解决 控制共享资源访问 的问题，来保证只有一个线程可以访问被保护的资源。

1.2 分布式锁的实现方案

• 基于数据库实现分布式锁
• 基于Zookeeper实现分布式锁
• 基于Redis实现分布式锁

等等，本篇基于Redis角度进行讨论

1.3 分布式锁满足哪些特性

• 互斥性：在分布式系统下，一个事件在同一个时间内只能被一个线程执行，即只能有一个线程持有锁。
• 安全性：可以方便的获取锁和释放锁，不产生死锁情况
• 过期性：具备锁失效机制，即可以在时效预期外自动解锁，防止死锁
• 可重入：具备可重入特性（可理解为重新进入，由多于一个任务并
• 高性能：高性能的获取锁与释放锁
• 高可用性：高可用的获取锁与释放锁

1.4 互斥特性

1.4.1 实现互斥特性

1.4.1.1 SETNX命令

SETNX 是 set if not exists 的缩写，当且仅当 key 不存在时，则设置 value 给这个key。若给定的 key 已经存在，则 SETNX 不做任何动作。
命令的返回值说明：

• 1：说明该进程获得锁，将 key 的值设为 value
• 0：说明其他进程已经获得了锁，进程不能进入临界区。

举例说明：setnx lock.key lock.value

> SETNX lock.user_063105015 1
(integer) 1 # 获取编号为 063105015 用户成功

如果已经被获取过了，则获取失败

> SETNX lock.user_063105015 1
(integer) 0 # 获取编号为 063105015 用户失败

1.4.1.2 get命令

获取key的值，如果存在，则返回；如果不存在，则返回nil

# 获取成功
> GET lock.user_063105015
"1"

# 获取失败
> GET lock.user_123456789
(nil)

1.4.1.3 getset命令

原子的设置值的办法，对key设置newValue这个值，并且返回key原来的旧值。

# 重置用户信息
> getset lock.user_063105015 0
"1"  # 原值为1

# 再次重置
> getset lock.user_063105015 1
"0"  # 原值为0

1.4.1.4 删除命令，用完之后进行锁释放

> DEL lock.user_063105015
(integer) 1

具体执行流程如下：

1.3.1.5 异常导致的锁释放问题

可能会因为一些场景，造成锁无法释放，如下：

• 调用服务或者客户端崩溃，无法正确的处理锁释放的工作。
• 业务程序的异常执行，没有操作释放锁的 DEL指令。
  这种情况下，锁就会一直占用着，不会被释放，其他线程也无法获得。所以必须得有个自动释放锁的过程。

1.4.2 超时释放

超时释放其实就是重置，目的是避免因为各种原因导致的锁长时间无法释放。
做法就是我们给锁加个过期时间（EXPIRE Time）：

# 给用户 063105015 加锁
> SETNX lock.user_063105015 1 
(integer) 1

# 设置过期时间，到时间没删除则自动释放
> EXPIRE lock.user_063105015 120 # 120秒之后自动释放
(integer) 1

为了保证执行时的原子性，Redis 官方扩展了 SET 命令，既能满足获取对象，又能保证设置超时的时间语义。
避免出现了获取锁完成之后，执行超时设置失败微软无法释放锁的情况。保证要么都成功，要么都不执行。

# 示例如下：
SET lock.user_063105015 1  NX PX 60000

• NX：就是Not Exist，表示只有用户编号为 063105015 不存在的时候才可以 SET 成功，并且只有单个线程可以获取锁；
• PX 60000：表示对这个锁设置一个60s的过期时间。

1.4.3 对锁进行唯一标识

经常会出现一种情况，就是你获取到锁之后，因为各种原因（比如你的服务线程故障、网络抖动 等等），没有执行完成，或者没有释放锁，
这时候锁也过了 EXPIRE TIME，就自动释放了。当另外一个线程开锁成功，你的线程响应过来了，把人家的锁给释放了，这样就有问题了。
为了避免这种操作，我们要对同一个的锁做唯一识别码，在释放锁之前，先判断下是不是自己设置的那个锁，如下：

# 设置10086专用值
> SET lock.user_063105015 10086 NX PX 60000
OK

# 设置成功，获取检查确实是10086
> get lock.user_063105015
"10086"

# 伪代码：删除前进项确认是不是自己加的那个锁
if ( redis.get("lock.user_063105015").equals("10086")) {
   redis.del("lock.user_063105015");  // 只有对比成功才进行删除，释放锁
 }

1.4.4 实现可重入锁

可重入锁可以理解为重新进入，由多于一个任务并发使用，而不必担心数据错误。

• 可重入性就就保证线程能继续执行，防止在同一线程中多次获取锁而导致死锁发生
• 不可重入就是需要等待锁释放之后，再次获取锁成功，才能继续往下执行

这边说说可重入锁，比如你执行线程的方案a获取锁之后，你的a方法后，线程继续执行b方法也需要获取锁，如果这时候不可重入，
线程就需要等待锁的释放，进入争抢。
这边的解法就是对线程加锁的锁值进行增减，同一个线程的方法遇到加锁则锁值+1，遇到退锁则锁值-1，当前仅当锁值=0的时候，说明这个锁真正的被释放了。
Java中的Redisson 类库就是通过 Redis Hash 来实现可重入锁。

加锁的逻辑
我们可以使用 Redis hash 结构实现，key 表示被锁的共享资源， hash 结构的 fieldKey 的 value 则保存加锁的次数。

实现如下( KEYS1 = "lock.user_063105015", ARGV [10000，uuid)：
KEYS[1] = key的值
ARGV[1]) = 持有锁的时间
ARGV[2] = getLockName(threadId) 下面id就算系统在启动的时候会全局生成的uuid 来作为当前进程的id，加上线程id就是getLockName(threadId)了，可以理解为：进程ID+系统ID = ARGV[2]

# 1 为 true
# 0 为 false

if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then 
    redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1); 
    redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); 
    return nil; 
    end; 
if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then 
    redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1); 
    redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); 
    return nil; 
    end; 
return redis.call('pttl', KEYS[1]);

参数说明

• hincrby ：将hash中指定域的值增加给定的数字
• pexpire：设置key的有效时间以毫秒为单位
• hexists：判断field是否存在于hash中
• pttl：获取key的有效毫秒数

程序说明

• Redis exists 命令判断 lock.user_063105015 锁是否存在
• 锁不存在，hincrby 创建一个键为 lock.user_063105015 的 hash 表，键为 uuid，初始化值为 0，然后再次加 1，最后设置过期时间。
• 锁存在，hexists判断 lock 对应的 hash 表中是否存在 uuid 键，存在则 + 1，并重置过期时间
• 不符合以上的条件的都走到默认返回