redis分布式锁、redis读写锁、红锁、redis缓存设计、缓存与数据库同步问题

Redis分布式锁

Redis为单进程单线程模式，采用队列模式将并发访问变成串行访问，且多客户端对Redis的连接并不存在竞争关系Redis中可以使用SETNX命令实现分布式锁。

当且仅当 key 不存在，将 key 的值设为 value。若给定的 key 已经存在，则 SETNX 不做任何动作

SETNX 是『SET if Not eXists』(如果不存在，则 SET)的简写。

返回值：设置成功，返回 1 。设置失败，返回 0 。

使用SETNX完成同步锁的流程及事项如下：

使用SETNX命令获取锁，若返回0（key已存在，锁已存在）则获取失败，反之获取成功

为了防止获取锁后程序出现异常，导致其他线程/进程调用SETNX命令总是返回0而进入死锁状态，需要为该key设置一个“合理”的过期时间

释放锁，使用DEL命令将锁数据删除
有一篇关于Setnx实现的原理：
redis setnx分布式锁
分布式锁代码实现：
lua+redis分布式锁演进代码

Redlock

普通实现

说道Redis分布式锁大部分人都会想到：setnx+lua，或者知道set key value px milliseconds nx。后一种方式的核心实现命令如下：

- 获取锁（unique_value可以是UUID等）
SET resource_name unique_value NX PX 30000

- 释放锁（lua脚本中，一定要比较value，防止误解锁）
if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
    return redis.call("del",KEYS[1])
else
    return 0
end

这种实现方式有3大要点（也是面试概率非常高的地方）：

1. set命令要用set key value px milliseconds nx；
2. value要具有唯一性；
3. 释放锁时要验证value值，不能误解锁；

事实上这类琐最大的缺点就是它加锁时只作用在一个Redis节点上，即使Redis通过sentinel保证高可用，如果这个master节点由于某些原因发生了主从切换，那么就会出现锁丢失的情况：

1. 在Redis的master节点上拿到了锁；
2. 但是这个加锁的key还没有同步到slave节点；
3. master故障，发生故障转移，slave节点升级为master节点；
4. 导致锁丢失。

因此Redis 官方站提出了一种权威的基于 Redis 实现分布式锁的方式名叫 Redlock，此种方式比原先的单节点的方法更安全。它可以保证以下特性：

1. 安全特性：互斥访问，即永远只有一个 client 能拿到锁
2. 避免死锁：最终 client 都可能拿到锁，不会出现死锁的情况，即使原本锁住某资源的 client crash 了或者出现了网络分区
3. 容错性：只要大部分 Redis 节点存活就可以正常提供服务

antirez提出的redlock算法大概是这样的：

在Redis的分布式环境中，我们假设有N个Redis master。这些节点完全互相独立，不存在主从复制或者其他集群协调机制。我们确保将在N个实例上使用与在Redis单实例下相同方法获取和释放锁。现在我们假设有5个Redis master节点，同时我们需要在5台服务器上面运行这些Redis实例，这样保证他们不会同时都宕掉。

为了取到锁，客户端应该执行以下操作:

• 获取当前Unix时间，以毫秒为单位。
• 依次尝试从5个实例，使用相同的key和具有唯一性的value（例如UUID）获取锁。当向Redis请求获取锁时，客户端应该设置一个网络连接和响应超时时间，这个超时时间应该小于锁的失效时间。例如你的锁自动失效时间为10秒，则超时时间应该在5-50毫秒之间。这样可以避免服务器端Redis已经挂掉的情况下，客户端还在死死地等待响应结果。如果服务器端没有在规定时间内响应，客户端应该尽快尝试去另外一个Redis实例请求获取锁。
• 客户端使用当前时间减去开始获取锁时间（步骤1记录的时间）就得到获取锁使用的时间。当且仅当从大多数（N/2+1，这里是3个节点）的Redis节点都取到锁，并且使用的时间小于锁失效时间时，锁才算获取成功。
• 如果取到了锁，key的真正有效时间等于有效时间减去获取锁所使用的时间（步骤3计算的结果）。
• 如果因为某些原因，获取锁失败（没有在至少N/2+1个Redis实例取到锁或者取锁时间已经超过了有效时间），客户端应该在所有的Redis实例上进行解锁（即便某些Redis实例根本就没有加锁成功，防止某些节点获取到锁但是客户端没有得到响应而导致接下来的一段时间不能被重新获取锁）。

Redlock源码

redisson已经有对redlock算法封装，接下来对其用法进行简单介绍，并对核心源码进行分析（假设5个redis实例）。

• POM依赖

<dependency>
    <groupId>org.redissongroupId>
    <artifactId>redissonartifactId>
    <version>3.3.2version>
dependency>

用法

首先，我们来看一下redission封装的redlock算法实现的分布式锁用法，非常简单，跟重入锁（ReentrantLock）有点类似：
例一：

Config config = new Config();
config.useSentinelServers().addSentinelAddress("127.0.0.1:6369","127.0.0.1:6379", "127.0.0.1:6389")
        .setMasterName("masterName")
        .setPassword("password").setDatabase(0);
RedissonClient redissonClient = Redisson.create(config);
// 还可以getFairLock(), getReadWriteLock()
RLock redLock = redissonClient.getLock("REDLOCK_KEY");
boolean isLock;
try {
    isLock = redLock.tryLock();
    // 500ms拿不到锁, 就认为获取锁失败。10000ms即10s是锁失效时间。
    isLock = redLock.tryLock(500, 10000, TimeUnit.MILLISECONDS);
    if (isLock) {
        //TODO if get lock success, do something;
    }
} catch (Exception e) {
} finally {
    // 无论如何, 最后都要解锁
    redLock.unlock();
}

例二：

 @RequestMapping("/redlock")
    public String redlock() {
        String lockKey = "product_001";
        //这里需要自己实例化不同redis实例的redisson客户端连接，这里只是伪代码用一个redisson客户端简化了
        RLock lock1 = redisson.getLock(lockKey);
        RLock lock2 = redisson.getLock(lockKey);
        RLock lock3 = redisson.getLock(lockKey);

        /**
         * 根据多个 RLock 对象构建 RedissonRedLock （最核心的差别就在这里）
         */
        RedissonRedLock redLock = new RedissonRedLock(lock1, lock2, lock3);
        try {
            /**
             * waitTimeout 尝试获取锁的最大等待时间，超过这个值，则认为获取锁失败
             * leaseTime   锁的持有时间,超过这个时间锁会自动失效（值应设置为大于业务处理的时间，确保在锁有效期内业务能处理完）
             */
            boolean res = redLock.tryLock(10, 30, TimeUnit.SECONDS);
            if (res) {
                //成功获得锁，在这里处理业务
            }
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException("lock fail");
        } finally {
            //无论如何, 最后都要解锁
            redLock.unlock();
        }

        return "end";
    }

唯一ID：

实现分布式锁的一个非常重要的点就是set的value要具有唯一性，redisson的value是怎样保证value的唯一性呢？答案是UUID+threadId。入口在redissonClient.getLock(“REDLOCK_KEY”)，源码在Redisson.java和RedissonLock.java中：

protected final UUID id = UUID.randomUUID();
String getLockName(long threadId) {
    return id + ":" + threadId;
}

获取锁：

获取锁的代码为redLock.tryLock()或者redLock.tryLock(500, 10000, TimeUnit.MILLISECONDS)，两者的最终核心源码都是下面这段代码，只不过前者获取锁的默认租约时间（leaseTime）是LOCK_EXPIRATION_INTERVAL_SECONDS，即30s：

<T> RFuture<T> tryLockInnerAsync(long leaseTime, TimeUnit unit, long threadId, RedisStrictCommand<T> command) {
    internalLockLeaseTime = unit.toMillis(leaseTime);
    // 获取锁时向5个redis实例发送的命令
    return commandExecutor.evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, command,
              // 首先分布式锁的KEY不能存在，如果确实不存在，那么执行hset命令（hset REDLOCK_KEY uuid+threadId 1），并通过pexpire设置失效时间（也是锁的租约时间）
              "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then " +
                  "redis.call('hset', KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
                  "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +
                  "return nil; " +
              "end; " +
              // 如果分布式锁的KEY已经存在，并且value也匹配，表示是当前线程持有的锁，那么重入次数加1，并且设置失效时间
              "if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then " +
                  "redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
                  "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +
                  "return nil; " +
              "end; " +
              // 获取分布式锁的KEY的失效时间毫秒数
              "return redis.call('pttl', KEYS[1]);",
              // 这三个参数分别对应KEYS[1]，ARGV[1]和ARGV[2]
                Collections.<Object>singletonList(getName()), internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));
}

获取锁的命令中，

• **KEYS[1]**就是Collections.singletonList(getName())，表示分布式锁的key，即REDLOCK_KEY；
• **ARGV[1]**就是internalLockLeaseTime，即锁的租约时间，默认30s；
• **ARGV[2]**就是getLockName(threadId)，是获取锁时set的唯一值，即UUID+threadId：

---

释放锁

释放锁的代码为redLock.unlock()，核心源码如下：

protected RFuture<Boolean> unlockInnerAsync(long threadId) {
    // 向5个redis实例都执行如下命令
    return commandExecutor.evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, RedisCommands.EVAL_BOOLEAN,
            // 如果分布式锁KEY不存在，那么向channel发布一条消息
            "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then " +
                "redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); " +
                "return 1; " +
            "end;" +
            // 如果分布式锁存在，但是value不匹配，表示锁已经被占用，那么直接返回
            "if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[3]) == 0) then " +
                "return nil;" +
            "end; " +
            // 如果就是当前线程占有分布式锁，那么将重入次数减1
            "local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[3], -1); " +
            // 重入次数减1后的值如果大于0，表示分布式锁有重入过，那么只设置失效时间，还不能删除
            "if (counter > 0) then " +
                "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]); " +
                "return 0; " +
            "else " +
                // 重入次数减1后的值如果为0，表示分布式锁只获取过1次，那么删除这个KEY，并发布解锁消息
                "redis.call('del', KEYS[1]); " +
                "redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); " +
                "return 1; "+
            "end; " +
            "return nil;",
            // 这5个参数分别对应KEYS[1]，KEYS[2]，ARGV[1]，ARGV[2]和ARGV[3]
            Arrays.<Object>asList(getName(), getChannelName()), LockPubSub.unlockMessage, internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));

}

关于Redlock算法的实现，在Redisson中我们可以使用RedissonRedLock来完成，具体使用细节可以参考大佬的文章： mp.weixin.qq.com/s/8uhYult2h…

读写锁

读写锁的好处就是能帮助客户读到的数据一定是最新的，写锁是排他锁，而读锁是一个共享锁，如果写锁一直存在，那么读取数据就要一直等待，直到写入数据完成才能看到，保证了数据的一致性

读写锁代码：

@SpringBootApplication
public class Application {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(Application.class, args);
    }

    @Bean
    public Redisson redisson() {
        // 此为单机模式
        Config config = new Config();
        config.useSingleServer().setAddress("redis://localhost:6379").setDatabase(0);
        return (Redisson) Redisson.create(config);
    }

}

 @RequestMapping("/get_stock")
    public String getStock(@RequestParam("clientId") Long clientId) throws InterruptedException {
        String lockKey = "product_stock_101";

        RReadWriteLock readWriteLock = redisson.getReadWriteLock(lockKey);
        RLock rLock = readWriteLock.readLock();

        rLock.lock();
        System.out.println("获取读锁成功：client=" + clientId);
        String stock = stringRedisTemplate.opsForValue().get("stock");
        if (StringUtils.isEmpty(stock)) {
            System.out.println("查询数据库库存为10。。。");
            Thread.sleep(5000);
            stringRedisTemplate.opsForValue().set("stock", "10");
        }
        rLock.unlock();
        System.out.println("释放读锁成功：client=" + clientId);

        return "end";
    }

    @RequestMapping("/update_stock")
    public String updateStock(@RequestParam("clientId") Long clientId) throws InterruptedException {
        String lockKey = "product_stock_101";

        RReadWriteLock readWriteLock = redisson.getReadWriteLock(lockKey);
        RLock writeLock = readWriteLock.writeLock();

        writeLock.lock();
        System.out.println("获取写锁成功：client=" + clientId);
        System.out.println("修改商品101的数据库库存为6。。。");
        stringRedisTemplate.delete("stock");
        Thread.sleep(5000);
        writeLock.unlock();
        System.out.println("释放写锁成功：client=" + clientId);

        return "end";
    }

缓存设计

---

缓存穿透

缓存穿透是指查询一个根本不存在的数据， 缓存层和存储层都不会命中， 通常出于容错的考虑， 如果从存储层查不到数据则不写入缓存层。
缓存穿透将导致不存在的数据每次请求都要到存储层去查询， 失去了缓存保护后端存储的意义。
例子：对于系统A，假设一秒 5000 个请求，结果其中 4000 个请求是黑客发出的恶意攻击。

黑客发出的那 4000 个攻击，缓存中查不到，每次你去数据库里查，也查不到。

假设数据库 id 是从 1 开始的，结果黑客发过来的请求 id 全部都是负数。这样的话，缓存中不会有，请求每次都“视缓存于无物”，直接查询数据库。这种恶意攻击场景的缓存穿透就会直接把数据库给打死。
造成缓存穿透的基本原因有两个：
第一， 自身业务代码或者数据出现问题。
第二， 一些恶意攻击、 爬虫等造成大量空命中。

缓存穿透问题解决方案：
1、缓存空对象

String get(String key) {
    // 从缓存中获取数据
    String cacheValue = cache.get(key);
    // 缓存为空
    if (StringUtils.isBlank(cacheValue)) {
        // 从存储中获取
        String storageValue = storage.get(key);
        cache.set(key, storageValue);
        // 如果存储数据为空， 需要设置一个过期时间(300秒)
        if (storageValue == null) {
            cache.expire(key, 60 * 5);
        }
        return storageValue;
    } else {
        // 缓存非空
        return cacheValue;
    }
}

2、布隆过滤器
对于恶意攻击，向服务器请求大量不存在的数据造成的缓存穿透，还可以用布隆过滤器先做一次过滤，对于不存在的数据布隆过滤器一般都能够过滤掉，不让请求再往后端发送。当布隆过滤器说某个值存在时，这个值可能不存在；当它说不存在时，那就肯定不存在。

布隆过滤器就是一个大型的位数组和几个不一样的无偏 hash 函数。所谓无偏就是能够把元素的 hash 值算得比较均匀。
向布隆过滤器中添加 key 时，会使用多个 hash 函数对 key 进行 hash 算得一个整数索引值然后对位数组长度进行取模运算得到一个位置，每个 hash 函数都会算得一个不同的位置。再把位数组的这几个位置都置为 1 就完成了 add 操作。
向布隆过滤器询问 key 是否存在时，跟 add 一样，也会把 hash 的几个位置都算出来，看看位数组中这几个位置是否都为 1，只要有一个位为 0，那么说明布隆过滤器中这个key 不存在。如果都是 1，这并不能说明这个 key 就一定存在，只是极有可能存在，因为这些位被置为 1 可能是因为其它的 key 存在所致。如果这个位数组比较稀疏，这个概率就会很大，如果这个位数组比较拥挤，这个概率就会降低。
这种方法适用于数据命中不高、 数据相对固定、 实时性低（通常是数据集较大） 的应用场景， 代码维护较为复杂， 但是缓存空间占用很少。

总结：布隆过滤器就是引入了k(k>1)k(k>1)个相互独立的哈希函数，保证在给定的空间、误判率下，完成元素判重的过程 它的优点是空间效率和查询时间都远远超过一般的算法，缺点是有一定的误识别率和删除困难。 Bloom-Filter算法的核心思想就是利用多个不同的Hash函数来解决“冲突”。 Hash存在一个冲突（碰撞）的问题，用同一个Hash得到的两个URL的值有可能相同。为了减少冲突，我们可以多引入几个Hash，如果通过其中的一个Hash值我们得出某元素不在集合中，那么该元素肯定不在集合中。只有在所有的Hash函数告诉我们该元素在集合中时，才能确定该元素存在于集合中。这便是Bloom-Filter的基本思想。 Bloom-Filter一般用于在大数据量的集合中判定某元素是否存在。

redis中使用布隆过滤器代码

可以用redisson实现布隆过滤器，引入依赖：

<dependency>
   <groupId>org.redissongroupId>
   <artifactId>redissonartifactId>
   <version>3.6.5version>
dependency>

import org.redisson.Redisson;
import org.redisson.api.RBloomFilter;
import org.redisson.api.RedissonClient;
import org.redisson.config.Config;
public class RedissonBloomFilter {

    public static void main(String[] args) {
        Config config = new Config();
        config.useSingleServer().setAddress("redis://localhost:6379");
        //构造Redisson
        RedissonClient redisson = Redisson.create(config);

        RBloomFilter<String> bloomFilter = redisson.getBloomFilter("nameList");
        //初始化布隆过滤器：预计元素为100000000L,误差率为3%,根据这两个参数会计算出底层的bit数组大小
        bloomFilter.tryInit(100000000L,0.03);
        //将123插入到布隆过滤器中
        bloomFilter.add("123");

        //判断下面号码是否在布隆过滤器中
        System.out.println(bloomFilter.contains("xxx"));//false
 System.out.println(bloomFilter.contains("123"));//true
    }
}

使用布隆过滤器需要把所有数据提前放入布隆过滤器，并且在增加数据时也要往布隆过滤器里放

//初始化布隆过滤器
RBloomFilter<String> bloomFilter = redisson.getBloomFilter("nameList");
//初始化布隆过滤器：预计元素为100000000L,误差率为3%
bloomFilter.tryInit(100000000L,0.03);
        
//把所有数据存入布隆过滤器
void init(){
    for (String key: keys) {
        bloomFilter.put(key);
    }
}

String get(String key) {
    // 从布隆过滤器这一级缓存判断下key是否存在
    Boolean exist = bloomFilter.contains(key);
    if(!exist){
        return "";
    }
    // 从缓存中获取数据
    String cacheValue = cache.get(key);
    // 缓存为空
    if (StringUtils.isBlank(cacheValue)) {
        // 从存储中获取
        String storageValue = storage.get(key);
        cache.set(key, storageValue);
        // 如果存储数据为空， 需要设置一个过期时间(300秒)
        if (storageValue == null) {
            cache.expire(key, 60 * 5);
        }
        return storageValue;
    } else {
        // 缓存非空
        return cacheValue;
    }
}

缓存失效(击穿)

由于大批量缓存在同一时间失效可能导致大量请求同时穿透缓存直达数据库，可能会造成数据库瞬间压力过大甚至挂掉，对于这种情况我们在批量增加缓存时最好将这一批数据的缓存过期时间设置为一个时间段内的不同时间。
示例伪代码：

String get(String key) {
    // 从缓存中获取数据
    String cacheValue = cache.get(key);
    // 缓存为空
    if (StringUtils.isBlank(cacheValue)) {
        // 从存储中获取
        String storageValue = storage.get(key);
        cache.set(key, storageValue);
        //设置一个过期时间(300到600之间的一个随机数)
        int expireTime = new Random().nextInt(300)  + 300;
        if (storageValue == null) {
            cache.expire(key, expireTime);
        }
        return storageValue;
    } else {
        // 缓存非空
        return cacheValue;
    }
}

缓存雪崩

对于系统 A，假设每天高峰期每秒 5000 个请求，本来缓存在高峰期可以扛住每秒 4000 个请求，但是缓存机器意外发生了全盘宕机。缓存挂了，此时 1 秒 5000 个请求全部落数据库，数据库必然扛不住，它会报一下警，然后就挂了。此时，如果没有采用什么特别的方案来处理这个故障，DBA 很着急，重启数据库，但是数据库立马又被新的流量给打死了。

缓存集中在一段时间内失效，发生大量的缓存穿透，所有的查询都落在数据库上，造成了缓存雪崩。
缓存雪崩的事前事中事后的解决方案如下：

• 事前：redis 高可用，主从+哨兵，redis cluster，避免全盘崩溃。
• 事中：本地 ehcache 缓存 +比如使用Sentinel或Hystrix限流降级组件，避免 MySQL 被打死。
• 事后：redis 持久化，一旦重启，自动从磁盘上加载数据，快速恢复缓存数据。

缓存与数据库双写不一致问题

解决思路：
1、更新完数据库再更新缓存（不推荐）
这么做引发的问题有两个
1、如果A,B两个线程同时做数据更新，A先更新了数据库，B后更新数据库，则此时数据库里存的是B的数据。而更新缓存的时候，是B先更新了缓存，而A后更新了缓存，则缓存里是A的数据。这样缓存和数据库的数据也不一致。

2、很多时候，在复杂点的缓存场景，缓存不单单是数据库中直接取出来的值。
  比如可能更新了某个表的一个字段，然后其对应的缓存，是需要查询另外两个表的数据并进行运算，才能计算出缓存最新的值的。
  另外更新缓存的代价有时候是很高的。是不是说，每次修改数据库的时候，都一定要将其对应的缓存更新一份？也许有的场景是这样，但是对于比较复杂的缓存数据计算的场景，就不是这样了。如果你频繁修改一个缓存涉及的多个表，缓存也频繁更新。但是问题在于，这个缓存到底会不会被频繁访问到？
2、先删除缓存再更新数据库
1、并发操作问题
该方案会导致不一致的原因是。同时有一个请求A进行更新操作，另一个请求B进行查询操作。那么会出现如下情形:
（1）请求A进行写操作，删除缓存
（2）请求B查询发现缓存不存在
（3）请求B去数据库查询得到旧值
（4）请求B将旧值写入缓存
（5）请求A将新值写入数据库

上述情况就会导致不一致的情形出现。而且，如果不采用给缓存设置过期时间策略，该数据永远都是脏数据。

2、还有一个问题就是第一步删除缓存成功，第二步写数据库失败造成cache中无数据，db中是旧数据，此时有请求过来，则会查询旧数据并写入缓存

那么，如何解决呢？采用延时双删+设置超时时间

public void write(String key,Object data){
        redis.delKey(key);
        db.updateData(data);
        Thread.sleep(1000);
        redis.delKey(key);
    }

3、更新完数据库再删除缓存(推荐)
失效：应用程序先从cache取数据，没有得到，则从数据库中取数据，成功后，放到缓存中。
命中：应用程序从cache中取数据，取到后返回。
更新：先把数据存到数据库中，成功后，再让缓存失效。

假设这会有两个请求，一个请求A做查询操作，一个请求B做更新操作，那么会有如下情形产生
（1）缓存刚好失效
（2）请求A查询数据库，得一个旧值
（3）请求B将新值写入数据库
（4）请求B删除缓存
（5）请求A将查到的旧值写入缓存
如果发生上述情况，确实是会发生脏数据。但是这种概率极低，几乎不可能出现，因为步骤（3）的写数据库操作比步骤（2）的读数据库操作耗时更短，才有可能使得步骤（4）先于步骤（5）。可是数据库的读操作的速度远快于写操作的因此步骤（3）耗时比步骤（2）更短，这一情形很难出现。

总结：
1、对于并发几率很小的数据(如个人维度的订单数据、用户数据等)，这种几乎不用考虑这个问题，很少会发生缓存不一致，可以给缓存数据加上过期时间，每隔一段时间触发读的主动更新即可。
2、就算并发很高，如果业务上能容忍短时间的缓存数据不一致(如商品名称，商品分类菜单等)，缓存加上过期时间依然可以解决大部分业务对于缓存的要求。
3、如果不能容忍缓存数据不一致，可以通过加读写锁保证并发读写或写写的时候按顺序排好队，读读的时候相当于无锁。
4、也可以用阿里开源的canal通过监听数据库的binlog日志及时的去修改缓存，但是引入了新的中间件，增加了系统的复杂度。