【Redis 进阶】分布式锁

一、线程安全与分布式锁的必要性​​

（一）线程安全问题

在同一个进程中，多个线程访问同一资源时，容易出现线程安全问题。为保证多个线程并发执行时逻辑顺序正确，需使用锁机制。

（二）分布式系统中的挑战

分布式系统中存在众多进程，传统的单机锁无法满足需求，因此引入分布式锁来解决跨进程资源访问的同步问题。

​​数据支撑​​：

• 根据《分布式系统原理与范型》一书，超过80%的分布式系统故障源于资源竞争问题。
• 据国际标准ISO/IEC 2382-15定义，分布式锁需满足互斥性、容错性和一致性。

​​二、分布式锁的基础实现​​

（一）买票服务案例

以买票服务为例，当票数为1时，若两个客户端同时尝试购票，将产生冲突。此时，分布式锁发挥作用。

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分布式锁实质上是一个或多个独立的服务器程序，为其他服务器提供加锁服务。Redis是常见的分布式锁实现方案之一，此外，MySQL和Zookeeper等组件亦可达到类似效果。

（二）加锁与解锁机制

客户端购票时，在Redis中插入特殊键值对，操作完成后删除该键值对。其他服务器尝试购票时，先检查Redis中是否存在该键值对，若存在则加锁失败。可使用setnx命令实现加锁，del命令实现解锁。

​注意事项​​：

• setnx命令的全称为“SET if Not eXists”，用于在键不存在时设置键值对。
• 解锁操作需先判定当前服务器是否为加锁服务器，避免误解锁导致系统异常。

​​三、分布式锁的优化策略​​

（一）过期时间与动态续约

为防止服务器故障导致死锁，引入过期时间机制。同时，采用动态续约策略，在锁即将到期时自动续约。

​​过期时间的设置​​：

• 过期时间设置过短可能导致锁提前释放，影响业务逻辑的正确性。
• 过期时间设置过长则可能导致锁释放不及时，增加系统资源的占用。

​​动态续约机制​​：

• 初始设置锁的过期时间为1秒。
• 在锁剩余300毫秒时，自动续约1秒。
• 即使服务器崩溃，锁也会在很短时间内释放，避免资源长时间被占用。

​​技术实现​​：

• 动态续约需由独立的线程负责，定期检查锁的状态并进行续约操作。
• 续约操作通过Redis的EXPIRE命令实现，确保锁的过期时间动态调整。

（二）校验机制

为确保解锁操作的准确性，引入校验机制，包括服务器标号和身份验证。

​​服务器标号​​：

• 每个服务器分配唯一的身份标识符，用于区分不同的服务器实例。
• 在加锁时，将服务器标号作为键值对的一部分存储在Redis中。

​​身份验证​​：

• 解锁操作前，先查询Redis中存储的服务器标号。
• 判定当前服务器是否为加锁服务器，只有匹配的服务器才能执行解锁操作。

（三）原子操作

为避免多个线程同时解锁同一资源导致的重复删除问题，采用Lua脚本实现原子解锁操作。

​​Lua脚本的优势​​：

• Lua脚本在Redis中执行时是原子的，确保解锁操作的完整性和一致性。
• 脚本执行时间通常小于1毫秒，满足高并发场景下的性能需求。

​​技术实现​​：

• 编写Lua脚本，包含查询服务器标号和删除键值对的操作。
• 将脚本上传至客户端，由客户端控制Redis执行该脚本。

​​示例代码​​：

if redis.call("get", KEYS[1]) == ARGV[1] thenreturn redis.call("del", KEYS[1])
elsereturn 0
end

• KEYS[1]：锁的键名。
• ARGV[1]：当前服务器的标号。