分布式锁

专栏_Redis原理剖析 0 32

在讲解分布式锁之前，我们首先得了解什么是“锁”。你可以把“锁”想象成一种控制机制，它用来保护共享资源，确保在同一时刻只有一个人能够访问它。

假设你和朋友都想借图书馆里的唯一一本热门书。这本书只能借给一个人，如果你们两个人同时去借，可能会出错。为了避免这种情况，图书馆管理员会给这本书上锁，只有第一个去借的人可以拿走书，其他人必须等这本书归还后才能借到。

同样，在计算机程序中，多个线程或进程可能需要同时访问共享资源（比如一个数据库、一台打印机等）。为了避免多个进程同时操作同一个资源，程序就需要使用“锁”来保证同一时刻只有一个进程可以访问。

“分布式”指的是系统中的资源分布在不同的机器或节点上。也就是说，分布式锁是在多个不同计算机上使用的一种锁。当一个进程想要访问共享资源时，它必须先“获取”锁，而这个锁并不是单纯地在同一台机器上进行管理，而是跨越了多个服务器或者节点。

想象一下，你和朋友不仅仅在同一个图书馆，而是每个人都在不同的城市有各自的图书馆分馆。你们都想借到这本热门书，而这本书只存在其中一座分馆。如果你们不使用分布式锁，就有可能发生两个人同时借到这本书的错误。这时候，分布式锁就帮助你确保无论你们在哪里，只有一个人能借到书，其他人必须等待。

在单机系统中，资源都在同一台机器上，锁的管理也比较简单，操作系统可以很容易地控制哪些进程可以访问共享资源。但是，当系统变得更大，资源分布在不同的机器上时，情况就复杂了。这时就需要一种能够跨多个机器协调访问共享资源的机制——分布式锁。

为什么不能只用单机锁？

那么，为什么 Redis 会成为实现分布式锁的优选方案呢？答案在于 Redis 的高性能和原子性操作。

首先，Redis 是一个内存数据库，读写速度非常快，这使得它可以作为锁的存储介质。通过 Redis 存储锁信息，可以确保加锁和释放锁操作的高效性。

而且 Redis 提供了原子性的命令，如 SETNX（只有键不存在时才会设置成功）。通过这个命令，我们可以很容易地实现加锁操作。比如，当某个进程试图获取锁时，它会使用 SETNX 命令在 Redis 中设置一个标识，如果该标识已经存在，说明锁已经被占用，当前进程无法获取锁。

与此同时，Redis 提供了主从复制、持久化和分布式集群等特性，可以确保即使某个 Redis 实例出现故障，整个系统依然可以稳定运行。这样，Redis 在分布式环境中的可靠性得到了保证。

要实现 Redis 分布式锁，基本的操作流程包括加锁、使用锁、以及释放锁。

加锁：进程尝试通过 Redis 的 SETNX 命令在 Redis 中设置一个键（例如 lock:key）。SETNX 命令只有在该键不存在时才会设置成功。如果 Redis 中已经存在该键，表示锁已经被占用，当前进程就无法获取锁。
使用锁：一旦锁被获取，进程就可以开始执行需要保护的操作了。比如，某个进程可以安全地修改数据库中的数据，其他进程无法在此时修改相同的数据。
释放锁：当进程完成操作后，它会从 Redis 中删除锁（即删除 lock:key）。这样，其他进程就可以再次尝试获取锁，执行自己的操作。

了解完操作流程之后，我们来分析一下这个具体的命令：

SET lock_key unique_value NX EX 30

上述的这条命令是用来加锁的，那么如何实现解锁呢？

实际上，解锁的过程就是将 lock_key 这个键删除的过程。但是在删除的时候，需要先判断 unique_value 是否为客户端，如果是，则可以删除，否则就无法删除。也就是说，这个锁是谁加的，谁才有权利解锁。

解锁的过程是先判断，再删除，所以需要用到 Lua 脚本来实现原子性：

//释放锁时，先比较 unique_value 是否相等，避免锁的误释放
if redis.call("get",KEYS[1])== ARGV[1] then
    return redis.call("del",KEYS[1])
else
    return 0
end

通过使用 String 的 SET 命令和 Lua 脚本，就实现了分布式锁。

虽然 Redis 提供了一个简单的方式来实现分布式锁，但当我们在实际应用的时候，我们需要注意一些细节。

锁的超时设置： 如果进程在获得锁后崩溃，锁将永远不会被释放。为了解决这个问题，我们可以在加锁时设置一个过期时间（例如 30 秒）。这样，即使进程崩溃，锁也会在一定时间后自动失效，其他进程就可以获得锁。
避免死锁： 死锁问题发生在进程持有锁的同时又发生了其他问题（比如没有及时释放锁），导致锁无法释放，其他进程永远无法获取锁。为了避免死锁，我们可以使用带有过期时间的锁，这样即使进程发生故障，锁也会被自动清除。
锁的唯一性： 分布式系统中的锁需要确保是唯一的。通常，我们会使用一个唯一的标识符作为锁的名称（例如 lock_key），确保每个资源的锁是唯一的。如果每个进程都使用相同的键去加锁，就能确保资源不会被多个进程同时访问。

优点我们可以结合 Redis 的特性来考虑，因为Redis 的操作非常快速，能够承载大量并发请求，所以适合在高并发环境下使用。而且我们通过使用 SETNX 命令，实现分布式锁比较简单。另外，Redis 支持主从复制和分布式集群，还可以保证锁服务的高可用性。

但是，如果 Redis 宕机或者出现故障，可能会导致锁丢失。为了保证锁的可靠性，可以使用 Redis 的持久化机制或其他高可用策略。而且，如果一个进程在持有锁的过程中出现故障或没有及时释放锁，可能会导致其他进程永远无法获取锁。