寫在前面的

在大型的系統(tǒng)程序中，分布式是繞不開的話題，無論成熟的上市公司，還是剛剛起步的創(chuàng)業(yè)公司，沒有一家公司對外的服務(wù)業(yè)務(wù)，可以部署在一臺服務(wù)器，啟動一個程序就能滿足日常需求的。多個程序共同提供服務(wù)一定會產(chǎn)生資源的競爭，也會在同一個時刻對一個數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，分布式鎖正是為了解決分布式系統(tǒng)中資源的競爭問題。

Redis分布式鎖

我將按照分布式問題的產(chǎn)生、解決和優(yōu)化的順序，分成六部分介紹Redis的分布式鎖。下面跟隨著我的介紹，理清思路，按照我的敘述順序依次思考，堅持讀到最后一定會有幫助的。正是因為有了這樣的順序的思考和問題的產(chǎn)生，Redis的分布式鎖才會越來越強(qiáng)大，越來越完善。

一個業(yè)務(wù)背景

假設(shè)我們的系統(tǒng)是圖書館管理系統(tǒng)，部署在兩個不同服務(wù)器上（也就是啟動了兩個相同服務(wù)），兩個服務(wù)為服務(wù)A和服務(wù)B。現(xiàn)在圖書館為了鼓勵更多的會員參與到讀書中，搞了一次活動，會員可以登入到系統(tǒng)中使用自己的系統(tǒng)積分兌換禮品，活動規(guī)定7個積分可以兌換一個紀(jì)念書簽。

此時一位同學(xué)Q登入到系統(tǒng)中，查詢到自己目前積分為10，決定申請兌換紀(jì)念書簽，但是在兌換過程中，因為網(wǎng)絡(luò)的問題，同學(xué)Q連續(xù)點擊了兩次兌換按鈕，并且這兩次兌換請求恰好被分別發(fā)送到了服務(wù)A和服務(wù)B上。

最終正確的結(jié)果應(yīng)該是，同學(xué)Q余下3個積分，并且成功兌換一個紀(jì)念書簽。

競爭狀態(tài)

在上面的業(yè)務(wù)場景中（假定紀(jì)念書簽無限多），服務(wù)A和服務(wù)B都接受到了兌換紀(jì)念書簽的請求，顯然兩個服務(wù)只能有一個成功完成兌換服務(wù)，而另外一個服務(wù)因為紀(jì)念書簽已經(jīng)被兌換，同學(xué)Q余下的3個積分不能繼續(xù)兌換而返回兌換失敗。

這里涉及到服務(wù)A和服務(wù)B是如何處理請求，并且為什么會產(chǎn)生競爭？如下圖，服務(wù)A接受到請求正常處理，查詢同學(xué)Q的當(dāng)前積分為10，接下扣除7個積分兌換紀(jì)念書簽，數(shù)據(jù)庫中同學(xué)Q的信息更新成功。

而在沒有分布式鎖控制的情況下，問題出現(xiàn)在服務(wù)B上，圖中紅色的請求（服務(wù)B查詢同學(xué)Q當(dāng)前積分），如果發(fā)起在綠色圓點以下的時間區(qū)間，此時查詢到的同學(xué)Q剩余3積分，那么服務(wù)B很正常會因為積分不夠兌換，直接返回失??；但是如果紅色的請求恰好發(fā)生在紅色圓點與綠色圓點之間的時間區(qū)間上，此時服務(wù)A正在處理尚未結(jié)束，數(shù)據(jù)庫中同學(xué)Q的積分仍舊是10，服務(wù)B讀取Q的積分為10后，將繼續(xù)正常執(zhí)行兌換流程，之后服務(wù)A和服務(wù)B都將會兌換成功，并且同學(xué)Q的積分會被扣除14，最終積分為-4，并且成功兌換了兩個紀(jì)念書簽。

服務(wù)A和服務(wù)B的競爭

Redis分布式鎖解決

問題的解決方式是在紅色圓點與綠色圓點的時間區(qū)間上（查詢同學(xué)Q積分的時間點到成功更新同學(xué)Q積分的時間點），應(yīng)該只允許服務(wù)A執(zhí)行，而服務(wù)B等待，直到綠色圓點的時間點（也就是服務(wù)A執(zhí)行完成）到了，服務(wù)B再執(zhí)行兌換邏輯。這時就需要分布式鎖，當(dāng)服務(wù)A和服務(wù)B接受到請求時，首先申請分布式鎖，只有獲得分布式鎖的服務(wù)才能執(zhí)行兌換邏輯，并且在執(zhí)行兌換完成之后釋放鎖，另外一個服務(wù)等待鎖釋放之后獲取鎖，進(jìn)入兌換邏輯。

Redis分布式鎖原理是通過命令SETNX key value實現(xiàn)的。SETNX命令只在鍵 key不存在的情況下， 將鍵key的值設(shè)置為value；若鍵key已經(jīng)存在，則SETNX命令不做任何動作。顯然，服務(wù)A和服務(wù)B同時執(zhí)行SETNX命令，只有一個服務(wù)可以設(shè)值成功，當(dāng)服務(wù)兌換邏輯執(zhí)行結(jié)束，再刪除鍵key（釋放鎖），這樣下一次服務(wù)執(zhí)行SETNX命令時可以正常申請到鎖。

Redis分布式鎖改進(jìn)

服務(wù)A獲得了分布式鎖，服務(wù)B等待鎖。如果這時服務(wù)A因為某些原因無法釋放分布式鎖（無法執(zhí)行刪除鍵key的操作），那么服務(wù)B（包括將來恢復(fù)的服務(wù)A）將永遠(yuǎn)無法獲得鎖去執(zhí)行兌換邏輯。

所以在執(zhí)行SETNX命令時，需要對設(shè)置的鍵key加上一個過期時間，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的過期時間，服務(wù)A仍舊沒有釋放鎖，此時Redis主動刪除鍵key完成對鎖的釋放。這樣即使服務(wù)A最終無法釋放分布式鎖，將來服務(wù)仍舊可以獲得鎖正常運行。設(shè)置過期時間在Redis中執(zhí)行命令SET key value NX PX milliseconds，其中PX milliseconds代表將鍵的過期時間設(shè)置為milliseconds毫秒，NX代表只在鍵不存在時，才對鍵進(jìn)行設(shè)置操作。

這里順便介紹一下Redis是如何刪除過期鍵的。Redis將過期時間存儲在一個過期字典中，處理過期鍵的策略分為兩種，積極的方式（an active way）和消極的方式（a passive way）：

• 積極的方式：定時掃描過期字典，判斷存儲在過期字典中的鍵key是否已經(jīng)過期，清理過期的鍵key。
• 消極的方式：平時對過期的鍵不進(jìn)行處理，只有當(dāng)Redis接受到訪問請求，獲取鍵key時候，去過期字典中檢查鍵key是否已經(jīng)過期，如果過期刪除鍵key，未過期則正常返回。

兩種策略都有利弊，積極的方式可以保證過期的鍵被盡快清除，節(jié)省內(nèi)存，卻對CPU不友好，占用了系統(tǒng)CPU時間，無疑會降低系統(tǒng)的吞吐量；消極的方式剛好相反，節(jié)約了CPU時間，卻因為大量過期的鍵不能及時清除導(dǎo)致內(nèi)存浪費。

Redis結(jié)合了積極和消極兩種方式，最大限度利用兩者的優(yōu)點，規(guī)避缺陷。下面介紹一個Redis官網(wǎng)介紹的清理過期鍵的算法——A trivial probabilistic algorithm。算法的Redis官網(wǎng)介紹

1. 算法執(zhí)行每秒掃描10次；
2. 在過期字典中隨機(jī)測試20個鍵
3. 刪除20個鍵中過期的鍵
4. 如果刪除的過期鍵數(shù)量占測試的總鍵數(shù)百分率超過25%（20*25%=5，換言之如果過期鍵超過5個），則返回第2步再次執(zhí)行。

Redis分布式鎖繼續(xù)改進(jìn)

目前為止Redis的分布式鎖已經(jīng)出具規(guī)模了，服務(wù)A獲得鎖，即使無法釋放，仍舊可以可以依賴過期時間的設(shè)置，由Redis自動清除?？墒牵绻鸕edis自動釋放服務(wù)A持有的分布式鎖之后，服務(wù)A又恢復(fù)了正常功能，那么當(dāng)它嘗試去釋放鎖的時候，發(fā)現(xiàn)鎖已經(jīng)不在了，當(dāng)然這還不會影響到系統(tǒng)的正確性。但是如果在服務(wù)A嘗試釋放鎖之前，服務(wù)B獲得了鎖呢？
如下時序圖：

服務(wù)A和服務(wù)B釋放鎖的時序圖

服務(wù)A首先獲得鎖，之后在綠色圓點的時間點被Redis自動釋放，接著服務(wù)B獲得鎖，而服務(wù)A恢復(fù)運行后在藍(lán)色圓點時間點釋放了鎖，注意此時服務(wù)A釋放的是服務(wù)B所有的鎖。那么從藍(lán)色圓點的時間點起，服務(wù)B就處在沒有分布式鎖保護(hù)的狀態(tài)下工作，如果另外的請求在服務(wù)B未執(zhí)行完成之前到來，就會出現(xiàn)在第二部分我們說的的競爭狀態(tài)，這樣系統(tǒng)就可以產(chǎn)生錯誤。

由此看來，我們的Redis分布式鎖仍舊需要繼續(xù)改進(jìn)，保證服務(wù)A只能刪除自己創(chuàng)建的鎖，而不可以刪除服務(wù)B的鎖。如何實現(xiàn)呢？回到最初的Redis命令SET key value NX PX milliseconds，在設(shè)置鍵key的時候，生成一個標(biāo)識字符串token設(shè)置在value中，并記錄下token，當(dāng)釋放鎖的時候比較Redis中鍵key下的value是否與token一致，一致則表明是當(dāng)前服務(wù)所有的鎖，不一致則是其他服務(wù)產(chǎn)生的鎖。

釋放鎖時，需要對Redis執(zhí)行查詢，再比較，最后刪除的邏輯，這些操作執(zhí)行要保證原子性，即要么全部執(zhí)行，要么都不執(zhí)行，并且在執(zhí)行的過程中，其他線程不能打斷也不能修改值。從Redis 2.6.0版本起，引入了Lua腳本對Redis的操作，Lua腳本具有原子性，那么上面的操作邏輯放在Lua腳本中實現(xiàn)就在合適不過了。Lua釋放分布式鎖腳本（Redis官網(wǎng)分布式鎖），如下圖：

Lua釋放分布式鎖腳本

Redis分布式鎖拓展

上面介紹Redis分布式鎖，都是從問題出發(fā)，探討如何設(shè)計和實現(xiàn)分布式鎖，介紹原理以及解決方法。現(xiàn)在從Redis服務(wù)器角度出發(fā)，假如Redis服務(wù)器突然宕機(jī)，不再能提供分布式鎖服務(wù)，又應(yīng)該如何保證服務(wù)正確的前提下恢復(fù)呢？

1. Redis將數(shù)據(jù)存儲于內(nèi)存中，一旦宕機(jī)內(nèi)存中數(shù)據(jù)消失，為了重啟時可以恢復(fù)數(shù)據(jù)，Redis開發(fā)了一套自己的持久化方式，持久化設(shè)置是解決服務(wù)器恢復(fù)時數(shù)據(jù)正確的一種方式；
2. 另外對于分布式鎖，因為其具有過期時間，可以采用延時重啟策略解決數(shù)據(jù)問題。就是服務(wù)器宕機(jī)之后，并不是馬上重啟，而是過一段時間，等待所有的分布式鎖均過期后，再進(jìn)行重啟（如果提前重啟，因為Redis中不再具有鎖，那么服務(wù)可能在原來持有鎖的服務(wù)尚未執(zhí)行完成就獲得了鎖，如此就可能產(chǎn)生分布式數(shù)據(jù)錯誤）。這樣所有在宕機(jī)之前具有鎖的服務(wù)可以正常執(zhí)行完成，而其他服務(wù)因為Redis沒有恢復(fù)不能獲取鎖所以不會執(zhí)行。