Redis 做分佈式鎖是通過利用 Redis 的一些基本命令來實現鎖的獲取、釋放以及避免死鎖等問題。常見的實現方式包括使用 SETNX 命令、SET 命令以及 RedLock 算法。

1. 分佈式鎖的基本實現方式

使用 SETNX 命令實現分佈式鎖

SETNX（SET if Not Exists）是 Redis 提供的一個原子命令，用於設置鍵值對，只在鍵不存在時執行操作。通過這個命令，可以實現簡單的分佈式鎖機制：

• 獲取鎖：通過 SETNX 命令嘗試將鎖的鍵值（通常是一個隨機生成的唯一標識符）設置到 Redis 中，如果鍵不存在，表示獲取鎖成功；如果鍵已經存在，表示其他客户端已經持有鎖，獲取鎖失敗。
• 設置過期時間：為了防止因為程序異常或者系統崩潰導致鎖無法釋放，可以設置鎖的過期時間（通常用 EXPIRE 命令）。有時候會用 SETNX 命令與 EXPIRE 結合，或者使用 Redis 5.0 引入的 SET 命令。

SET lock_key unique_lock_value NX PX 30000

• NX 表示只有在鍵不存在時，才會執行設置操作，相當於 SETNX。
• PX 設置鎖的過期時間，防止死鎖。

釋放鎖

釋放鎖時，必須確保只有持有鎖的客户端才能釋放鎖。這通常通過檢查鎖值來實現：

• 使用 GET 命令獲取當前鎖的值，並判斷它是否等於當前客户端的唯一標識符。
• 如果相等，則可以使用 DEL 命令釋放鎖。

if (GET lock_key == current_lock_value) {
  DEL lock_key
}

2. Redis 5.0 的 SET 命令實現分佈式鎖

Redis 5.0 引入了 SET 命令的 NX 和 PX 參數，可以一次性設置鍵值、過期時間，並且只有在鍵不存在時設置成功。這樣就避免了需要分兩步操作（SETNX 和 EXPIRE）的問題。

SET lock_key unique_lock_value NX PX 30000

• NX：鍵不存在時設置成功。
• PX：設置過期時間。

3. RedLock 算法

對於多個 Redis 實例部署的分佈式環境，使用單一 Redis 實例可能存在單點故障的問題。因此，RedLock 算法由 Redis 創始人 antirez 提出，是一種用於分佈式環境中實現高可用分佈式鎖的方法。

RedLock 算法的步驟：

1. 獲取鎖：

   • 在 N 個獨立的 Redis 實例中，客户端依次請求獲取鎖。
   • 每個 Redis 實例都使用 SET 命令嘗試獲取鎖，只有在 N/2+1 個實例成功獲取鎖時，認為獲得了全局鎖。
   • 每次獲取鎖時，都設置一個過期時間，防止鎖被長時間佔用。

2. 釋放鎖：

   • 客户端在持有鎖期間完成任務後，釋放鎖。釋放鎖的操作是檢查鎖值是否與當前客户端的唯一標識符匹配，只有匹配時才能釋放鎖。

3. 失敗重試：

   • 如果客户端在某個 Redis 實例上獲取鎖失敗，則會繼續嘗試其他實例。

RedLock 的優點：

• 可以容忍一部分 Redis 實例的宕機，仍然能夠保證鎖的可靠性。
• 保證了鎖的高可用性和容錯性。

4. 實現分佈式鎖時需要注意的問題

1. 死鎖問題

• 如果鎖沒有及時釋放，或者獲取鎖的操作與釋放鎖的操作中間發生了異常，可能會導致死鎖。

• 解決方法：

  • 設置合理的鎖超時時間，避免因程序崩潰或網絡延遲導致鎖永遠無法釋放。
  • 使用可靠的方式釋放鎖，確保只有持有鎖的客户端才能釋放鎖。

2. 鎖的過期時間設計

• 鎖的過期時間應根據實際業務需求來設置。如果過期時間過短，可能會導致在任務未完成時，鎖就被釋放，其他客户端獲取鎖後執行任務；如果過期時間過長，則可能導致其他客户端長時間無法獲取鎖。
• 解決方法：合理設計鎖的過期時間，並確保業務邏輯能在鎖的過期時間內完成。

3. 高可用性和容錯性

• 如果使用單個 Redis 實例作為分佈式鎖的實現方式，Redis 實例宕機會導致分佈式鎖不可用。

• 解決方法：

  • 使用 Redis 集羣或者多個 Redis 實例來保證高可用性（如 RedLock 算法）。
  • Redis Sentinel 可用於監控 Redis 實例的健康狀態，並提供故障轉移。

4. 鎖的粒度和重入

• 鎖的粒度要適當，避免過度細化鎖粒度造成性能損失；同時也要避免過度粗化鎖粒度，導致鎖的競爭過多。
• 重入問題：有些情況下，可能需要同一個客户端在持有鎖的期間再次請求鎖。這時可以使用可重入鎖（Redisson 等庫支持重入鎖），但 Redis 原生並不支持重入鎖。

5. 網絡延遲與時鐘不同步

• 在分佈式環境中，網絡延遲和時鐘不同步可能導致鎖過期時間的不準確，造成不必要的鎖爭用。
• 解決方法：使用適當的超時策略，並且使用合理的時鐘同步方法來降低這種影響。

總結

• 使用 SETNX 和 SET 實現 Redis 分佈式鎖時，關鍵點是避免死鎖、確保鎖能及時釋放，並且在設計時合理設置鎖的過期時間。
• 對於更復雜的分佈式環境，RedLock 算法能提供更高的可用性和容錯性，適用於多節點的分佈式鎖場景。
• 在實際項目中，合理地使用 Redis 實現分佈式鎖，能顯著提高系統的併發控制能力，但同時也需要注意高可用性、鎖的粒度以及死鎖等問題。