1. 什么是分布式鎖

當我們在編寫多線程代碼的時候，不同的線程可能會發生資源的爭奪，為了避免資源爭奪造成的錯誤，我們會對資源上鎖，只有獲得鎖的線程才能繼續往下執行。

進程中的鎖，本質就是內存中一個變量，當一個線程執行某個操作申請加鎖時，如果能成功把代表鎖的變量值設置為1，則表示獲得了鎖，其他線程想要獲得鎖時會阻塞，而擁有鎖的線程執行完操作后，再把鎖的值設置為0，則表示釋放了鎖。

上面我們說的是在一臺服務器的進程內不同線程之間的鎖，這個鎖是放在內存中的，而對于分布式應用程序來說，不同的應用(進程或線程)部署在不同的服務器上，這樣就不能通過內存中的變量來表示鎖。

即然在一臺服務器上可以通過內存這塊共享的空間來表示鎖，那么對于分布式應用程序來說，可以共享存儲系統來存儲一個共享鎖，這就是分布式鎖，而Redis作為內存數據庫，執行非常快，很適合作為實現分布式鎖的共享存儲系統。

2. 使用Redis實現分布式鎖

對于一個鎖來說，其實只有兩個操作，加鎖和釋放鎖，下面我們看來看通過Redis要怎么實現？

2.1 加鎖

Redis的setnx命令會判斷鍵值是否存在，如果存在則不做任何操作，并返回0，如果不存在，則創建并賦值，并返回1，因此我們可以執行setnx為一個代表鎖鍵設置值，如果能設置成功，則表示獲得鎖，失敗則無法獲得鎖。

# 使用key為lock來表示一個鎖
setnx lock 1 

2.2 釋放鎖

當執行好操作之后，要釋放鎖的時候直接把Redis里的鍵值lock刪除就可以了，這樣其他進程才能通過setnx命令重新設置并獲得該鎖。

# 釋放鎖
del lock

通過上面兩個命令，我們實現了一個簡單的分布式鎖，但這里就出現了一個問題：如果一個進程通過setnx命令加鎖之后，在執行具體操作出錯了，沒有辦法及時釋放鎖，那么其他進程就無法獲得該鎖，系統便無法繼續往下執行，解決這個問題的辦法就是為鎖設置一個有效期，在這個有效期之后，自動釋放鎖。

2.3 給鎖設置有效期

給鎖設置有效期非常簡單，直接使用Redis的expire命令就可以了，如：

# 加鎖
setnx lock 1 
# 給鎖設置10s有效期
expire lock 10 

但是，現在又出現另一個問題了，如果我們在設置了鎖之后，執行expire命令之前該進程掛掉了，那么expire就沒有執行成功，鎖一樣是沒有被釋放掉的，所以一定要保證上面兩個命令要一起執行，怎么保證呢？

有兩個方法，一個是使用LUA語言編寫的腳本，另一個是使用Redis的set命令，set命令后面跟nx參數后，執行的效果與setnx一致，且set命令可以跟ex參數來設置過期時間，所以我們可以使用set命令把setnx和expire兩個合并在一起，這樣就可以保證執行的原子性了。

# 判斷是否鍵值是否存在，ex后面跟著的是鍵值的有效期,10s
set lock 1 nx ex 10 

解決了鎖的有效問題，現在我們再來看另外一個問題。

如上圖所示，現在有A，B，C三個不同服務器上的進程在執行某個操作都需要獲得鎖，執行后要釋放鎖。

現在的情況是進程A執行第2步時卡頓了(上面綠色區域所示)，且時間超出了鎖有效期，所以進程A設置的鎖自動釋放了，這時候進程B獲得了鎖，并開始執行操作，但由于進程A只是卡頓了而已，所以會繼續執行的時候，在第3步的時候會手動釋放鎖，但是這個時候，鎖由線程B所擁有，也就是說進程A刪除的不是自己的鎖，而進程B的鎖，這時候進程B還沒執行完，但鎖被釋放后，進程C可以加鎖，也就是說由于進程A卡頓釋放錯了鎖，導致進程B和進程C可以同時獲得鎖。

怎么避免這種情況呢？如何區分其他進程的鎖，避免刪除其他進程的鎖呢？答案就是每個進程在加鎖的時候，給鎖設置一個唯一值，并在釋放鎖的時候，判斷是不是自己設置的鎖。

2.4 給鎖設置唯一值

給鎖設置唯一值的時候，一樣是使用set命令，唯一的不同是將鍵值1改為一個隨機生成的唯一值，比如uuid。

 # rand_uid表示唯一id
set lock rand_id nx ex 10

當鎖里的值由進程設置后，釋放鎖的時候，就需要判斷鎖是不是自己的，步驟如下：

• 通過Redis的get命令獲得鎖的值
• 根據獲得的值，判斷鎖是不是自己設置的
• 如果是，通過del命令釋放鎖。

此時我們看到，釋放鎖需要執行三個操作，如果三個操作依次執行的話，是沒有辦法保證原子性的，比如進程A在執行到第2步后，準備開始執行del命令時，而鎖由時有效期到了，被自動釋放了，并被其他服務器上的進程B獲得鎖，但這時候線程A執行del還是把線程B的鎖給刪掉了。

解決這個問題的辦法就是保證上述三個操作執行的原子性，即在執行釋放鎖的三個操作中，其他進程不可以獲得鎖，想要做到這一點，需要使用到LUA腳本。

2.5 通過LUA腳本實現釋放鎖的原子性

Redis支持LUA腳本，LUA腳里的代碼執行的時候，其他客戶端的請求不會被執行，這樣可以保證原子性操作，所以我們可以使用下面腳本進行鎖的釋放：

if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then 
  return redis.call("del",KEYS[1])
else 
  return 0
end

將上述腳本保存為腳本后，可以調用Redis客戶端命令redis-cli來執行，如下：

# lock為key,rand_id表示key里保存的值
redis-cli --eval unlock.lua lock , rand_id 

3. 小結

無論是本地鎖還是分布式鎖，鎖的本質就是一個共享的變量，只是在實現分布式鎖時候，把這個變量移到了Redis服務器所在的內存中。

在上面實現分布式鎖的過程中我們碰到了以下幾個問題：

• 如何保證加鎖操作的原子性？
• 如何保證進程崩潰自動釋放鎖？
• 如何避免刪錯其他進程的鎖？
• 如何保證釋放鎖操作的原子性？

在解決上述問題的時候，我們也一步步完善一個可以在實際開發中應用的Redis分布式鎖。