30 | 如何使用Redis实现分布式锁？
1、前言
Redis 属于分布式系统，当有多个客户端需要争抢锁时，我们必须要保证，这把锁不能是某个客户端本地的锁。否则的话，其它客户端是无法访问这把锁的，当然也就不能获取这把锁了。
所以，在分布式系统中，当有多个客户端需要获取锁时，我们需要分布式锁。此时，锁是保存在一个共享存储系统中的，可以被多个客户端共享访问和获取。
2、单机上的锁和分布式锁的联系与区别
对于在单机上运行的多线程程序来说，锁本身可以用一个变量表示。
变量值为 0 时，表示没有线程获取锁；
变量值为 1 时，表示已经有线程获取到锁了。
单机上加锁和释放锁过程代码：
acquire_lock(){
if lock == 0
lock = 1
return 1
else
return 0
}
release_lock(){
lock = 0
return 1
}
和单机上的锁类似，分布式锁同样可以用一个变量来实现。客户端加锁和释放锁的操作逻辑，也和单机上的加锁和释放锁操作逻辑一致：加锁时同样需要判断锁变量的值，根据锁变量值来判断能否加锁成功；释放锁时需要把锁变量值设置为 0，表明客户端不再持有锁。
和线程在单机上操作锁不同的是，在分布式场景下，锁变量需要由一个共享存储系统来维护，只有这样，多个客户端才可以通过访问共享存储系统来访问锁变量。相应的，加锁和释放锁的操作就变成了读取、判断和设置共享存储系统中的锁变量值。
so，分布式锁两个要求：
要求一：分布式锁的加锁和释放锁的过程，涉及多个操作。所以，在实现分布式锁时，我们需要保证这些锁操作的原子性；
要求二：共享存储系统保存了锁变量，如果共享存储系统发生故障或宕机，那么客户端也就无法进行锁操作了。在实现分布式锁时，我们需要考虑保证共享存储系统的可靠性，进而保证锁的可靠性。
3、基于单个 Redis 节点实现分布式锁
作为分布式锁实现过程中的共享存储系统，Redis 可以使用键值对来保存锁变量，再接收和处理不同客户端发送的加锁和释放锁的操作请求。
要赋予锁变量一个变量名，把这个变量名作为键值对的键，而锁变量的值，则是键值对的值，这样一来，Redis 就能保存锁变量了，客户端也就可以通过 Redis 的命令操作来实现锁操作。
1）、加锁过程：
2）、解锁过程：
因为加锁包含了三个操作（读取锁变量、判断锁变量值以及把锁变量值设置为 1），而这三个操作在执行时需要保证原子性，要想保证操作的原子性，有两种通用的方法，分别是使用 Redis 的单命令操作和使用 Lua 脚本。
3）、Redis 单命令加锁：
首先是 SETNX 命令，它用于设置键值对的值。这个命令在执行时会判断键值对是否存在，如果不存在，就设置键值对的值，如果存在，就不做任何设置。
SETNX key value
对于释放锁操作来说，我们可以在执行完业务逻辑后，使用 DEL 命令删除锁变量。
4）、总结来说，我们就可以用 SETNX 和 DEL 命令组合来实现加锁和释放锁操作：
// 加锁
SETNX lock_key 1
// 业务逻辑
DO THINGS
// 释放锁
DEL lock_key
5）、使用 SETNX 和 DEL 命令组合实现分布锁，存在两个潜在的风险：
A、某个客户端在执行了 SETNX 命令、加锁之后，紧接着却在操作共享数据时发生了异常，结果一直没有执行最后的 DEL 命令释放锁。
因此，锁就一直被这个客户端持有，其它客户端无法拿到锁，也无法访问共享数据和执行后续操作，这会给业务应用带来影响。
解决：给锁变量设置一个过期时间
B、客户端 A 执行了 SETNX 命令加锁后，假设客户端 B 执行了 DEL 命令释放锁，此时，客户端 A 的锁就被误释放了。
如果客户端 C 正好也在申请加锁，就可以成功获得锁，进而开始操作共享数据。这样一来，客户端 A 和 C 同时在对共享数据进行操作，数据就会被修改错误，这也是业务层不能接受的。
解决：能区分来自不同客户端的锁操作
在加锁操作时，可以让每个客户端给锁变量设置一个唯一值，这里的唯一值就可以用来标识当前操作的客户端。在释放锁操作时，客户端需要判断，当前锁变量的值是否和自己的唯一标识相等，只有在相等的情况下，才能释放锁。这样一来，就不会出现误释放锁的问题了。
6）、Redis具体怎么实现分布式锁的
首先 set 命令：
SETNX 命令的时候提到，对于不存在的键值对，它会先创建再设置值（也就是“不存在即设置”），为了能达到和 SETNX 命令一样的效果，Redis 给 SET 命令提供了类似的选项 NX，用来实现“不存在即设置”。
如果使用了 NX 选项，SET 命令只有在键值对不存在时，才会进行设置，否则不做赋值操作。
SET 命令在执行时还可以带上 EX 或 PX 选项，用来设置键值对的过期时间。
执行下面的命令时，只有 key 不存在时，SET 才会创建 key，并对 key 进行赋值。key 的存活时间由 seconds 或者 milliseconds 选项值来决定。
SET key value [EX seconds | PX milliseconds] [NX]
有了 SET 命令的 NX 和 EX/PX 选项后，就可以用下面的命令来实现加锁操作：
// 加锁, unique_value作为客户端唯一性的标识
SET lock_key unique_value NX PX 10000
unique_value 是客户端的唯一标识，可以用一个随机生成的字符串来表示，PX 10000 则表示 lock_key 会在 10s 后过期，以免客户端在这期间发生异常而无法释放锁。
因为在加锁操作中，每个客户端都使用了一个唯一标识（一般是线程ID），所以在释放锁操作时，我们需要判断锁变量的值，是否等于执行释放锁操作的客户端的唯一标识，如下所示：
//释放锁 比较unique_value是否相等，避免误释放
if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
return redis.call("del",KEYS[1])
else
return 0
end
这是使用 Lua 脚本（unlock.script）实现的释放锁操作的伪代码，其中，KEYS[1]表示 lock_key，ARGV[1]是当前客户端的唯一标识，这两个值都是我们在执行 Lua 脚本时作为参数传入的。
最后，执行下面的命令，完成锁释放操作：
redis-cli --eval unlock.script lock_key , unique_value
在释放锁操作中，使用了 Lua 脚本，这是因为，释放锁操作的逻辑也包含了读取锁变量、判断值、删除锁变量的多个操作，而 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。
4、基于多个 Redis 节点实现高可靠的分布式锁
要实现高可靠的分布式锁时，就不能只依赖单个的命令操作了，我们需要按照一定的步骤和规则进行加解锁操作，否则，就可能会出现锁无法工作的情况。
分布式锁算法 Redlock：Redlock 算法的实现需要有 N 个独立的 Redis 实例。
Redlock 算法的基本思路，是让客户端和多个独立的 Redis 实例依次请求加锁，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了，否则加锁失败。
这样一来，即使有单个 Redis 实例发生故障，因为锁变量在其它实例上也有保存，所以，客户端仍然可以正常地进行锁操作，锁变量并不会丢失。
Redlock 三步完成加锁操作：
第一步是，客户端获取当前时间。
第二步是，客户端按顺序依次向 N 个 Redis 实例执行加锁操作。
这里的加锁操作和在单实例上执行的加锁操作一样，使用 SET 命令，带上 NX，EX/PX 选项，以及带上客户端的唯一标识。当然，如果某个 Redis 实例发生故障了，为了保证在这种情况下，Redlock 算法能够继续运行，我们需要给加锁操作设置一个超时时间。
如果客户端在和一个 Redis 实例请求加锁时，一直到超时都没有成功，那么此时，客户端会和下一个 Redis 实例继续请求加锁。加锁操作的超时时间需要远远地小于锁的有效时间，一般也就是设置为几十毫秒。
第三步是，一旦客户端完成了和所有 Redis 实例的加锁操作，客户端就要计算整个加锁过程的总耗时。
客户端只有在满足下面的这两个条件时，才能认为是加锁成功。
条件一：客户端从超过半数（大于等于 N/2+1）的 Redis 实例上成功获取到了锁；
条件二：客户端获取锁的总耗时没有超过锁的有效时间。
在满足了这两个条件后，我们需要重新计算这把锁的有效时间，计算的结果是锁的最初有效时间减去客户端为获取锁的总耗时。
如果锁的有效时间已经来不及完成共享数据的操作了，我们可以释放锁，以免出现还没完成数据操作，锁就过期了的情况。
如果没能满足上面两个条件，客户端向所有 Redis 节点发起释放锁的操作。
Redlock 算法中，释放锁的操作和在单实例上释放锁的操作一样，只要执行释放锁的 Lua 脚本就可以了。只要 N 个 Redis 实例中的半数以上实例能正常工作，就能保证分布式锁的正常工作
实际的业务应用中，想要提升分布式锁的可靠性，就可以通过 Redlock 算法来实现。
5、小结
A、分布式锁是由共享存储系统维护的变量，多个客户端可以向共享存储系统发送命令进行加锁或释放锁操作。Redis 作为一个共享存储系统，可以用来实现分布式锁。
B、在基于单个 Redis 实例实现分布式锁时，对于加锁操作，我们需要满足三个条件。
1）、加锁包括了读取锁变量、检查锁变量值和设置锁变量值三个操作，但需要以原子操作的方式完成，所以，我们使用 SET 命令带上 NX 选项来实现加锁；
2）、锁变量需要设置过期时间，以免客户端拿到锁后发生异常，导致锁一直无法释放，所以，在 SET 命令执行时加上 EX/PX 选项，设置其过期时间；
3）、锁变量的值需要能区分来自不同客户端的加锁操作，以免在释放锁时，出现误释放操作，所以，使用 SET 命令设置锁变量值时，每个客户端设置的值是一个唯一值，用于标识客户端。
和加锁类似，释放锁也包含了读取锁变量值、判断锁变量值和删除锁变量三个操作，不过，无法使用单个命令来实现，所以，采用 Lua 脚本执行释放锁操作，通过 Redis 原子性地执行 Lua 脚本，来保证释放锁操作的原子性。
C、基于单个 Redis 实例实现分布式锁时，会面临实例异常或崩溃的情况，这会导致实例无法提供锁操作，正因为此，Redis 也提供了 Redlock 算法，用来实现基于多个实例的分布式锁。
这样一来，锁变量由多个实例维护，即使有实例发生了故障，锁变量仍然是存在的，客户端还是可以完成锁操作。Redlock 算法是实现高可靠分布式锁的一种有效解决方案。