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| 3 | +## 7.4 分布式锁 |
| 4 | + |
| 5 | +网上有很多分布式锁相关的文章，写了一个相对简洁易懂的版本，针对面试和工作完全够用了。 |
| 6 | + |
| 7 | +### 什么是分布式锁？ |
| 8 | + |
| 9 | +对于单机多线程，在 Java 中，我们通常使用 `ReetrantLock` 这类 JDK 自带的 **本地锁** 来控制本地多个线程对本地共享资源的访问。对于分布式系统，我们通常使用 **分布式锁** 来控制多个服务对共享资源的访问。 |
| 10 | + |
| 11 | +一个最基本的分布式锁需要满足： |
| 12 | + |
| 13 | +- **互斥** ：任意一个时刻，锁只能被一个线程持有； |
| 14 | +- **高可用** ：锁服务是高可用的。并且，即使客户端的释放锁的代码逻辑出现问题，锁最终一定还是会被释放，不会影响其他线程对共享资源的访问。 |
| 15 | + |
| 16 | +通常情况下，我们一般会选择基于 Redis 或者 ZooKeeper 实现分布式锁，Redis 用的要更多一点，我这里也以 Redis 为例介绍分布式锁的实现。 |
| 17 | + |
| 18 | +### 基于 Redis 实现分布式锁 |
| 19 | + |
| 20 | +#### 如何基于 Redis 实现一个最简易的分布式锁？ |
| 21 | + |
| 22 | +不论是实现锁还是分布式锁，核心都在于“互斥”。 |
| 23 | + |
| 24 | +在 Redis 中， `SETNX` 命令是可以帮助我们实现互斥。`SETNX` 即 **SET** if **N**ot e**X**ists (对应 Java 中的 `setIfAbsent` 方法)，如果 key 不存在的话，才会设置 key 的值。如果 key 已经存在， `SETNX` 啥也不做。 |
| 25 | + |
| 26 | +```bash |
| 27 | +> SETNX lockKey uniqueValue |
| 28 | +(integer) 1 |
| 29 | +> SETNX lockKey uniqueValue |
| 30 | +(integer) 0 |
| 31 | +``` |
| 32 | + |
| 33 | +释放锁的话，直接通过 `DEL` 命令删除对应的 key 即可。 |
| 34 | + |
| 35 | +```bash |
| 36 | +> DEL lockKey |
| 37 | +(integer) 1 |
| 38 | +``` |
| 39 | + |
| 40 | +为了误删到其他的锁，这里我们建议使用 Lua 脚本通过 key 对应的 value（唯一值）来判断。 |
| 41 | + |
| 42 | +选用 Lua 脚本是为了保证解锁操作的原子性。因为 Redis 在执行 Lua 脚本时，可以以原子性的方式执行，从而保证了锁释放操作的原子性。 |
| 43 | + |
| 44 | +```lua |
| 45 | +// 释放锁时，先比较锁对应的 value 值是否相等，避免锁的误释放 |
| 46 | +if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then |
| 47 | + return redis.call("del",KEYS[1]) |
| 48 | +else |
| 49 | + return 0 |
| 50 | +end |
| 51 | +``` |
| 52 | + |
| 53 | +这是一种最简易的 Redis 分布式锁实现，实现方式比较简单，性能也很高效。不过，这种方式实现分布式锁存在一些问题。就比如应用程序遇到一些问题比如释放锁的逻辑突然挂掉，可能会导致锁无法被释放，进而造成共享资源无法再被其他线程/进程访问。 |
| 54 | + |
| 55 | +#### 为什么要给锁设置一个过期时间？ |
| 56 | + |
| 57 | +为了避免锁无法被释放，我们可以想到的一个解决办法就是：给这个 key（也就是锁） 设置一个过期时间。 |
| 58 | + |
| 59 | +```bash |
| 60 | +127.0.0.1:6379> SET lockKey uniqueValue EX 3 NX |
| 61 | +OK |
| 62 | +``` |
| 63 | + |
| 64 | +- **lockKey** ：加锁的锁名； |
| 65 | +- **uniqueValue** ：能够唯一标示锁的随机字符串； |
| 66 | +- **NX** ：只有当 lockKey 对应的 key 值不存在的时候才能 SET 成功； |
| 67 | +- **EX** ：过期时间设置（秒为单位）EX 3 标示这个锁有一个 3 秒的自动过期时间。与 EX 对应的是 PX（毫秒为单位），这两个都是过期时间设置。 |
| 68 | + |
| 69 | +**一定要保证设置指定 key 的值和过期时间是一个原子操作！！！** 不然的话，依然可能会出现锁无法被释放的问题。 |
| 70 | + |
| 71 | +这样确实可以解决问题，不过，这种解决办法同样存在漏洞：**如果操作共享资源的时间大于过期时间，就会出现锁提前过期的问题，进而导致分布式锁直接失效。如果锁的超时时间设置过长，又会影响到性能。** |
| 72 | + |
| 73 | +你或许在想： **如果操作共享资源的操作还未完成，锁过期时间能够自己续期就好了！** |
| 74 | + |
| 75 | +对于 Java 开发的小伙伴来说，已经有了现成的解决方案：**[Redisson](https://github.com/redisson/redisson)** 。其他语言的解决方案，可以在 Redis 官方文档中找到，地址：https://redis.io/topics/distlock 。 |
| 76 | + |
| 77 | + |
| 78 | + |
| 79 | +Redisson 是一个开源的 Java 语言 Redis 客户端，提供了很多开箱即用的功能，不仅仅包括多种分布式锁的实现。 |
| 80 | + |
| 81 | +Redisson 中的分布式锁自带自动续期机制，它提供了一个专门用来监控锁的 **Watch Dog（ 看门狗）**，如果操作共享资源的还未完成的话，Watch Dog 会不断地延长锁的过期时间，进而保证锁不会因为超时而被释放。 |
| 82 | + |
| 83 | +我这里以 Redisson 的分布式可重入锁 `RLock` 为例来说明如何使用 Redisson 实现分布式锁： |
| 84 | + |
| 85 | +```java |
| 86 | +// 1.获取指定的分布式锁对象 |
| 87 | +RLock lock = redisson.getLock("lock"); |
| 88 | +// 2.拿锁，具有 Watch Dog 自动续期机制 |
| 89 | +lock.lock(); |
| 90 | +// 3.执行业务 |
| 91 | +... |
| 92 | +// 4.释放锁 |
| 93 | +lock.unlock(); |
| 94 | +``` |
| 95 | + |
| 96 | +可以看出，代码非常简洁直观。 |
| 97 | + |
| 98 | +如果使用 Redis 来实现分布式锁的话，还是比较推荐直接基于 Redisson 来做的。 |
| 99 | + |
| 100 | +#### Redis 如何解决集群情况下分布式锁的可靠性？ |
| 101 | + |
| 102 | +为了避免单点故障，生产环境下的 Redis 服务通常是集群化部署的。 |
| 103 | + |
| 104 | +Redis 集群下，上面介绍到的分布式锁的实现会存在一些问题。由于 Redis 集群数据同步到各个节点时是异步的，如果在 Redis 主节点获取到锁后，在没有同步到其他节点时，Redis 主节点宕机了，此时新的 Redis 主节点依然可以获取锁，所以多个应用服务就可以同时获取到锁。 |
| 105 | + |
| 106 | +针对这个问题，Redis 之父 antirez 设计了 [Redlock 算法](https://redis.io/topics/distlock) 来解决。 |
| 107 | + |
| 108 | +Redlock 算法的思想是让客户端向 Redis 集群中的多个独立的 Redis 实例依次请求申请加锁，如果客户端能够和半数以上的实例成功地完成加锁操作，那么我们就认为，客户端成功地获得分布式锁，否则加锁失败。 |
| 109 | + |
| 110 | +即使部分 Redis 节点出现问题，只要保证 Redis 集群中有半数以上的 Redis 节点可用，分布式锁服务就是正常的。 |
| 111 | + |
| 112 | +Redlock 是直接操作 Redis 节点的，并不是通过 Redis 集群操作的，这样才可以避免 Redis 集群主从切换导致的锁丢失问题。 |
| 113 | + |
| 114 | +Redlock 实现比较复杂，性能比较差，发生时钟变迁的情况下还存在安全性隐患。《数据密集型应用系统设计》一书的作者 Martin Kleppmann 曾经专门发文怼过 Redlock，他认为这是一个很差的分布式锁实现。感兴趣的朋友可以看看[Redis 锁从面试连环炮聊到神仙打架](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg3NjU3NTkwMQ==&mid=2247505097&idx=1&sn=5c03cb769c4458350f4d4a321ad51f5a&source=41#wechat_redirect)这篇文章，有详细介绍到 antirez 和 Martin Kleppmann 关于 Redlock 的激烈辩论。 |
| 115 | + |
| 116 | +实际项目中不建议使用 Redlock 算法，成本和收益不成正比。 |
| 117 | + |
| 118 | +如果不是非要实现绝对可靠的分布式锁的话，其实单机版 Redis 就完全够了，实现简单，性能也非常高。如果你必须要实现一个绝对可靠的分布式锁的话，可以基于 Zookeeper 来做，只是性能会差一些。 |
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