Redis系列13：分布式锁实现
Redis系列1：深刻理解高性能Redis的本质
Redis系列2：数据持久化提高可用性
Redis系列3：高可用之主从架构
Redis系列4：高可用之Sentinel(哨兵模式）
Redis系列5：深入分析Cluster 集群模式
追求性能极致：Redis6.0的多线程模型
追求性能极致：客户端缓存带来的革命
Redis系列8：Bitmap实现亿万级数据计算
Redis系列9：Geo 类型赋能亿级地图位置计算
Redis系列10：HyperLogLog实现海量数据基数统计
Redis系列11：内存淘汰策略
Redis系列12：Redis 的事务机制
1 先来了解下分布式锁
1.1 什么是分布式锁
分布式锁，即分布式系统中的锁，我们通过锁解决 控制共享资源访问 的问题，来保证只有一个线程可以访问被保护的资源。
1.2 分布式锁的实现方案
- 基于数据库实现分布式锁
- 基于Zookeeper实现分布式锁
- 基于Redis实现分布式锁
等等，本篇基于Redis角度进行讨论
1.3 分布式锁满足哪些特性
- 互斥性：在分布式系统下，一个事件在同一个时间内只能被一个线程执行，即只能有一个线程持有锁。
- 安全性：可以方便的获取锁和释放锁，不产生死锁情况
- 过期性：具备锁失效机制，即可以在时效预期外自动解锁，防止死锁
- 可重入：具备可重入特性（可理解为重新进入，由多于一个任务并
- 高性能：高性能的获取锁与释放锁
- 高可用性：高可用的获取锁与释放锁
1.4 互斥特性
1.4.1 实现互斥特性
1.4.1.1 SETNX命令
SETNX 是 set if not exists 的缩写，当且仅当 key 不存在时，则设置 value 给这个key。若给定的 key 已经存在，则 SETNX 不做任何动作。
命令的返回值说明：
- 1：说明该进程获得锁，将 key 的值设为 value
- 0：说明其他进程已经获得了锁，进程不能进入临界区。
举例说明：setnx lock.key lock.value
> SETNX lock.user_063105015 1
(integer) 1 # 获取编号为 063105015 用户成功
如果已经被获取过了，则获取失败
> SETNX lock.user_063105015 1
(integer) 0 # 获取编号为 063105015 用户失败
1.4.1.2 get命令
获取key的值，如果存在，则返回；如果不存在，则返回nil
# 获取成功
> GET lock.user_063105015
"1"
# 获取失败
> GET lock.user_123456789
(nil)
1.4.1.3 getset命令
原子的设置值的办法，对key设置newValue这个值，并且返回key原来的旧值。
# 重置用户信息
> getset lock.user_063105015 0
"1" # 原值为1
# 再次重置
> getset lock.user_063105015 1
"0" # 原值为0
1.4.1.4 删除命令，用完之后进行锁释放
> DEL lock.user_063105015
(integer) 1
具体执行流程如下：
1.3.1.5 异常导致的锁释放问题
可能会因为一些场景，造成锁无法释放，如下：
- 调用服务或者客户端崩溃，无法正确的处理锁释放的工作。
- 业务程序的异常执行，没有操作释放锁的 DEL指令。
这种情况下，锁就会一直占用着，不会被释放，其他线程也无法获得。所以必须得有个自动释放锁的过程。
1.4.2 超时释放
超时释放其实就是重置，目的是避免因为各种原因导致的锁长时间无法释放。
做法就是我们给锁加个过期时间（EXPIRE Time）：
# 给用户 063105015 加锁
> SETNX lock.user_063105015 1
(integer) 1
# 设置过期时间，到时间没删除则自动释放
> EXPIRE lock.user_063105015 120 # 120秒之后自动释放
(integer) 1
为了保证执行时的原子性，Redis 官方扩展了 SET 命令，既能满足获取对象，又能保证设置超时的时间语义。
避免出现了获取锁完成之后，执行超时设置失败微软无法释放锁的情况。保证要么都成功，要么都不执行。
# 示例如下：
SET lock.user_063105015 1 NX PX 60000
- NX：就是Not Exist，表示只有用户编号为 063105015 不存在的时候才可以 SET 成功，并且只有单个线程可以获取锁；
- PX 60000：表示对这个锁设置一个60s的过期时间。
1.4.3 对锁进行唯一标识
经常会出现一种情况，就是你获取到锁之后，因为各种原因（比如你的服务线程故障、网络抖动 等等），没有执行完成，或者没有释放锁，
这时候锁也过了 EXPIRE TIME，就自动释放了。当另外一个线程开锁成功，你的线程响应过来了，把人家的锁给释放了，这样就有问题了。
为了避免这种操作，我们要对同一个的锁做唯一识别码，在释放锁之前，先判断下是不是自己设置的那个锁，如下：
# 设置10086专用值
> SET lock.user_063105015 10086 NX PX 60000
OK
# 设置成功，获取检查确实是10086
> get lock.user_063105015
"10086"
# 伪代码：删除前进项确认是不是自己加的那个锁
if ( redis.get("lock.user_063105015").equals("10086")) {
redis.del("lock.user_063105015"); // 只有对比成功才进行删除，释放锁
}
1.4.4 实现可重入锁
可重入锁可以理解为重新进入，由多于一个任务并发使用，而不必担心数据错误。
- 可重入性就就保证线程能继续执行，防止在同一线程中多次获取锁而导致死锁发生
- 不可重入就是需要等待锁释放之后，再次获取锁成功，才能继续往下执行
这边说说可重入锁，比如你执行线程的方案a获取锁之后，你的a方法后，线程继续执行b方法也需要获取锁，如果这时候不可重入，
线程就需要等待锁的释放，进入争抢。
这边的解法就是对线程加锁的锁值进行增减，同一个线程的方法遇到加锁则锁值+1，遇到退锁则锁值-1，当前仅当锁值=0的时候，说明这个锁真正的被释放了。
Java中的Redisson 类库就是通过 Redis Hash 来实现可重入锁。
加锁的逻辑
我们可以使用 Redis hash 结构实现，key 表示被锁的共享资源， hash 结构的 fieldKey 的 value 则保存加锁的次数。
实现如下( KEYS1 = "lock.user_063105015", ARGV [10000，uuid)：
KEYS[1] = key的值
ARGV[1]) = 持有锁的时间
ARGV[2] = getLockName(threadId) 下面id就算系统在启动的时候会全局生成的uuid 来作为当前进程的id，加上线程id就是getLockName(threadId)了，可以理解为：进程ID+系统ID = ARGV[2]
# 1 为 true
# 0 为 false
if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then
redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1);
redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]);
return nil;
end;
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;
return redis.call('pttl', KEYS[1]);
参数说明
- hincrby ：将hash中指定域的值增加给定的数字
- pexpire：设置key的有效时间以毫秒为单位
- hexists：判断field是否存在于hash中
- pttl：获取key的有效毫秒数
程序说明
- Redis exists 命令判断 lock.user_063105015 锁是否存在
- 锁不存在，hincrby 创建一个键为 lock.user_063105015 的 hash 表，键为 uuid，初始化值为 0，然后再次加 1，最后设置过期时间。
- 锁存在，hexists判断 lock 对应的 hash 表中是否存在 uuid 键，存在则 + 1，并重置过期时间
- 不符合以上的条件的都走到默认返回
