Redis分布式锁，你用对了吗？
时间：2021-09-10 16:39:29
[导读]废话不多说，直接上硬核。今天我们就来聊聊分布式锁。PART1.分布式锁是什么？我们的手机有锁、车有锁、家门有锁、贵重物品会锁进保险箱。可以说，锁在我们生活中无处不在，时刻保护着我们的人身财产安全。在计算机领域也一样，锁可以理解为针对某项资源使用权限的管理，它通常用来控制共享资源，...
废话不多说，直接上硬核。
今天我们就来聊聊分布式锁。
PART1.分布式锁是什么？
我们的手机有锁、车有锁、家门有锁、贵重物品会锁进保险箱。可以说，锁在我们生活中无处不在，时刻保护着我们的人身财产安全。
在计算机领域也一样，锁可以理解为针对某项资源使用权限的管理，它通常用来控制共享资源，比如一个进程内有多个线程竞争一个数据的使用权限，解决方式之一就是加锁。
那分布式锁是什么呢？
顾名思义，分布式锁就是分布式场景下的锁，比如多台不同机器上的进程，去竞争同一项资源，就是分布式锁。
PART2.分布式锁有哪些特性？
具备哪些特性的分布式锁才是一个优秀的分布式锁？我认为要从如下几方面来看：
- 互斥性：锁的目的是获取资源的使用权，所以只让一个竞争者持有锁，这一点要尽可能保证；
- 安全性：避免死锁情况发生。当一个竞争者在持有锁期间内，由于意外崩溃而导致未能主动解锁，其持有的锁也能够被正常释放，并保证后续其它竞争者也能加锁；
- 对称性：同一个锁，加锁和解锁必须是同一个竞争者。不能把其他竞争者持有的锁给释放了，这又称为锁的可重入性。
- 可靠性：需要有一定程度的异常处理能力、容灾能力。
PART3.分布式锁的常用实现方式
分布式锁，一般会依托第三方组件来实现，而利用Redis实现则是工作中应用最多的一种。
今天，就让我们从最基础的步骤开始，依照分布式锁的特性，层层递进，步步完善，将它优化到最优，让大家完整地了解如何用Redis来实现一个分布式锁。
最简化版本
首先，当然是搭建一个最简单的实现方式，直接用Redis的setnx命令，这个命令的语法是：setnx key value如果key不存在，则会将key设置为value，并返回1；如果key存在，不会有任务影响，返回0。基于这个特性，我们就可以用setnx实现加锁的目的：通过setnx加锁，加锁之后其他服务无法加锁，用完之后，再通过delete解锁，深藏功与名。
支持过期时间
最简化版本有一个问题：如果获取锁的服务挂掉了，那么锁就一直得不到释放，就像石沉大海，杳无音信。所以，我们需要一个超时来兜底。Redis中有expire命令，用来设置一个key的超时时间。但是setnx和expire不具备原子性，如果setnx获取锁之后，服务挂掉，依旧是泥牛入海。
很自然，我们会想到，set和expire，有没有原子操作？
当然有，Redis早就考虑到了这种场景，推出了如下执行语句：set key value nx ex secondsnx表示具备setnx特定，ex表示增加了过期时间，最后一个参数就是过期时间的值。
能够支持过期时间，目前这个锁基本上是能用了。
但是存在一个问题：会存在服务A释放掉服务B的锁的可能。
加上owner
我们来试想一下如下场景：服务A获取了锁，由于业务流程比较长，或者网络延迟、GC卡顿等原因，导致锁过期，而业务还会继续进行。这时候，业务B已经拿到了锁，准备去执行，这个时候服务A恢复过来并做完了业务，就会释放锁，而B却还在继续执行。在真实的分布式场景中，可能存在几十个竞争者，那么上述情况发生概率就很高，导致同一份资源频繁被不同竞争者同时访问，分布式锁也就失去了意义。
引入Lua
加入owner后的版本可以称得上是完善了吗？还有没有什么隐患呢？我也不卖关子了，到这一步其实还存在一个小问题，我们完整的流程是竞争者获取锁执行任务，执行完毕后检查锁是不是自己的，最后进行释放。
流程一梳理，你们肯定明白了，执行完毕后，检查锁，再释放，这些操作不是原子化的。
可能锁获取时还是自己的，删除时却已经是别人的了。这可怎么办呢？
Redis可没有直接提供这种场景原子化的操作啊。遇事不要慌，仔细想一想，Redis是不是还有个特性，专门整合原子操作，对，就是它——Lua。
Redis➕Lua，可以说是专门为解决原子问题而生。
有了Lua的特性，Redis才真正在分布式锁、秒杀等场景，有了用武之地，下面便是改造之后的流程：
其实到了这一步，分布式锁的前三个特性：对称性、安全性、可靠性，就满足了。可以说是一个可用的分布式锁了，能满足大多数场景的需要。
PART4.可靠性如何保证
分布式锁的四大特性还剩下可靠性没有解决。
针对一些异常场景，包括Redis挂掉了、业务执行时间过长、网络波动等情况，我们来一起分析如何处理。
容灾考虑
前面我们谈及的内容，基本是基于单机考虑的，如果Redis挂掉了，那锁就不能获取了。这个问题该如何解决呢？一般来说，有两种方法：主从容灾和多级部署。
主从容灾
最简单的一种方式，就是为Redis配置从节点，当主节点挂了，用从节点顶包。但是主从切换，需要人工参与，会提高人力成本。不过Redis已经有成熟的解决方案，也就是哨兵模式，可以灵活自动切换，不再需要人工介入。
通过增加从节点的方式，虽然一定程度解决了单点的容灾问题，但并不是尽善尽美的，由于同步有时延，Slave可能会损失掉部分数据，分布式锁可能失效，这就会发生短暂的多机获取到执行权限。
有没有更可靠的办法呢？
多机部署
如果对一致性的要求高一些，可以尝试多机部署，比如Redis的RedLock，大概的思路就是多个机器，通常是奇数个，达到一半以上同意加锁才算加锁成功，这样，可靠性会向ETCD靠近。现在假设有5个Redis主节点，基本保证它们不会同时宕掉，获取锁和释放锁的过程中，客户端会执行以下操作：
1.向5个Redis申请加锁；
2.只要超过一半，也就是3个Redis返回成功，那么就是获取到了锁。如果超过一半失败，需要向每个Redis发送解锁命令；
3.由于向5个Redis发送请求，会有一定时耗，所以锁剩余持有时间，需要减去请求时间。这个可以作为判断依据，如果剩余时间已经为0，那么也是获取锁失败；
4.使用完成之后，向5个Redis发送解锁请求。
这种模式的好处在于，如果挂了2台Redis，整个集群还是可用的，给了运维更多时间来修复。
另外，多说一句，单点Redis的所有手段，这种多机模式都可以使用，比如为每个节点配置哨兵模式，由于加锁是一半以上同意就成功，那么如果单个节点进行了主从切换，单个节点数据的丢失，就不会让锁失效了。这样增强了可靠性。
可靠性深究是不是有RedLock，就一定能保证可靠的分布式锁？
这里我先说结论：由于分布式系统中的三大困境（简称NPC），所以没有完全可靠的分布式锁！
让我们来看看RedLock在NPC下的表现。
N：Network Delay（网络延迟）当分布式锁获得返回包的时间过长，此时可能虽然加锁成功，但是已经时过境迁，锁可能很快过期。RedLock算了做了些考量，也就是前面所说的锁剩余持有时间，需要减去请求时间，如此一来，就可以一定程度解决网络延迟的问题。
P：Process Pause（进程暂停）比如发生GC，获取锁之后GC了，处于GC执行中，然后锁超时。
其他锁获取，这种情况几乎无解。这时候GC回来了，那么两个进程就获取到了同一个分布式锁。
也许你会说，在GC回来之后，可以再去查一次啊？
这里有两个问题，首先你怎么知道GC回来了？这个可以在做业务之前，通过时间，进行一个粗略判断，但也是很吃场景经验的；第二，如果你判断的时候是ok的，但是判断完GC了呢？这点RedLock是无法解决的。
C：Clock Drift（时钟漂移）
如果竞争者A，获得了RedLock，在5台分布式机器上都加上锁。为了方便分析，我们直接假设5台机器都发生了时钟漂移，锁瞬间过期了。这时候竞争者B拿到了锁，此时A和B拿到了相同的执行权限。
根据上述的分析，可以看出，RedLock也不能扛住NPC的挑战，因此，单单从分布式锁本身出发，完全可靠是不可能的。要实现一个相对可靠的分布式锁机制，还是需要和业务的配合，业务本身要幂等可重入，这样的设计可以省却很多麻烦。
PART5.复盘
我们围绕互斥性、安全性、对称性层层递进，实现了一个Redis分布式锁，这样的架构在大多数业务场景都是完全够用的。
同时，我们也针对可靠性，探讨了主从容灾、Red Lock等解决方案，并分析了NPC异常场景，了解到分布式锁在什么情况会失去作用，这些知识在实际的业务中都非常实用，能够在实际开发中做出正确的决策。
建议对分布式锁不要强依赖，没有绝对可靠的分布式锁，分布式锁需要与业务的联动配合更加切实可行，脱离了业务，就是空中楼阁，不着实地。
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