使用 Redis 實現分散式鎖的方法

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在一個分散式系統中，會遇到一些需要對多個節點共享的資源加鎖的情況，這個時候需要用到分散式鎖。分散式鎖通常儲存在一個共享的儲存系統中，可以被多個節點共享和訪問。

鎖的本質

簡單來講，鎖可以用一個變數來表示。比如，在一個單機多執行緒的程式來說，某個資源的鎖用一個 bit 的資料就可以表示。即 0 表示沒有資源可以訪問，1 表示資源的鎖已被別的執行緒獲取，不能訪問。

獲取和釋放特定資源的鎖，本質上就是為獲取和修改這個變數的值。如果值是 0 則將其修改為 1，就完成了獲取的過程，如果訪問到的值不是 0，則獲取鎖失敗；如果之前獲取了鎖，將表示鎖的變數的值修改為 0 的操作，其實就是釋放鎖的操作。

在一個分散式場景中，實現鎖的方式也是一樣的，只不過這個表示資源鎖的變數，需要儲存在一個共享的儲存系統中。這個共享的儲存系統，可以是 Redis，也可以是其他的任何可以提供資料儲存的系統。

基於 Redis 的分散式鎖實現

第一步：初步實現功能

對於將 Redis 作為這個共享儲存系統的情況來說，代表某個資源的鎖的變數，就是 Redis 中的一個鍵值對。假如，需要新增分散式鎖的資源叫 resource_a，我們可以將 Redis 中 resource_a 的鎖變數的 key 叫做 lock_a。

例如，節點一需要獲取鎖，它會訪問 Redis 中 lock_a 的值，假設獲取到的值為 0，則節點一將這個值設定為 1 後，就完成了加鎖操作。此時，節點二也需要獲取 resource_a 的鎖，它去訪問 Redis 中 lock_a 的值，發現值是 1，說明鎖已經被別的節點獲取，並且還沒有釋放，因此，節點二對資源 resource_a 加鎖失敗。

當節點一需要釋放鎖的時候，只需要將 Redis 中的 lock_a 的值設定為 0 就完成了鎖的釋放，之後，其他的節點就可以再次獲取資源的鎖。

第二步：加鎖操作原子化

以上的描述中，加鎖的並不是一個單一的操作，而是包含了多個步驟：讀取鎖變數、判斷變數的值、修改鎖變數。這三個操作需要原子化。

在 Redis 中，有一個 SETNX 命令，用於設定鍵值對的值，與 SET 命令不同，它在是先事會判斷鍵值對是否存在，只有當指定的 KEY 不存在的時候，才會執行值的設定，否則什麼都不執行。SETNX 就是「SET if Not eXist」的意思。它的用法與 SET 相同：

SETNX lock_a 1

這樣，當需要獲取鎖的時候，使用 SETNX 命令為 lock_a 設定一個值，如果設定成功則獲取到了鎖，如果失敗則沒有獲取到鎖；當需要釋放鎖的時候，使用 DEL 操作刪除鍵值對即可。

這樣就實現了獲取和釋放鎖的原子化操作。

第三步：防止加鎖後不釋放

接下來早考慮一個問題，如果節點一獲取到鎖之後，由於程式異常等原因，導致一直麼有釋放鎖，此時，鎖會一直被它持有，無法釋放，其他節點也無法訪問資源。

為了避免這種情況的發生，我們必須給鎖變數設定過期時間，當鎖變數過期後，就可以重新請求加鎖，這樣就可以避免這個問題。

SETNX 的命令並沒有設定過期時間的選項，所幸的是，Redis 為 SET 命令提供了模擬 SETNX 的 NX 選項，我們可以這樣設定過期時間：

SET lock_a 1 NX PX 10000

以上命令代表，如果 lock_a 不存在，則將它的值設定為 1，並且在 10 秒後過期。

第四步：誰加鎖誰釋放

最後一個問題是，如果節點一獲取了鎖，而由於某種原因，節點二執行了 DEL 操作，那麼，其他節點又可以獲取鎖了。

為了解決這個問題，我們可以修改一下鎖變數儲存的內容。在前面的邏輯中，我們申請鎖的時候，是去判斷鎖變數是否存在，而與其中儲存的值關係不大，因此，我們可以把這個值利用起來。

在加鎖的時候，如果把值儲存為每個節點唯一的標識，那麼，在釋放鎖執行 DEL 之前再對這個值進行判斷，那麼，就可以先判斷鎖是否是當前節點加上的，是的話再進行釋放，這樣就實現了「誰加鎖誰是放」。

這一部分，沒有一個單一的指令可以完成讀取鎖變數、判斷、刪除的操作，因此，可以使用 Lua 指令碼實現。在指令碼中獲取到當前鎖變數的值，與給定的節點標識進行比對，符合的話才進行刪除操作，否則不操作。

在釋放鎖時，執行 Lua 指令碼即可。

第五步：實現高可用

完善了功能之後，最後再來實現高可用。如果我們使用單一的 Redis 作為分散式鎖的共享儲存系統，那麼，如果這個 Redis 不可用了，那涉及到分散式鎖的部分都不可用了，這樣是很脆鎖的，這是高可用非常有必要的原因。

此時，需要搬出 Redis 的作者 Antirez 提出的分散式鎖演算法 Redlock。簡而言之，是讓鎖的申請者，想多個獨立的 Redis 例項請求加鎖，如果能在半數以上的 Redis 完成枷鎖操作，那麼就成功的獲取了鎖，反之獲取失敗。

在釋放鎖的操作時，同樣只要在超過半數的例項上執行成功刪除鎖變數的 Lua 指令碼，即可視為成功。