浅析 Redlock 分布式锁实现原理
前言
不知不觉中，这篇文章在我的草稿箱已经躺了半年多了。
起初写这篇文章是准备做一次技术分享，后来因为一些原因将分享的主题换成了什么是惊群问题 ，这篇文章也就一直在草稿箱躺到了现在。
在博客鸽了几个月之后的今天，我又想起来了草稿箱的它…，对一些细节进行修改后，让它从草稿箱走了出来。
在介绍 Redlock 前，我们先来看看在项目中是怎么使用 Redis 实现锁的。
基于单实例 Redis 分布式锁
我们平时使用的 Redis 锁大部分都是单实例的，只有一个 Redis 实例。
为什么叫它分布式锁？因为这里的分布式是指分布式的应用，即多个调用方，而不是说锁本身。
Redis 加锁的操作非常简单，只需要使用 SET 命令并带上相关的选项即可。
SET key value NX EX 60
- key: 需要锁定的资源，比如对某个订单加锁，那么 key 就可以是订单号。
- value: 在平时使用的时候，value 通常是一个无意义的值。
- NX: 只有当 key 不存在的时候才能设置成功，，作用等同于 SETNX 命令。
- EX: 60 秒后过期，作用等同于 EXPIRE 命令。
NX 选项的作用是，当有多个客户端同时申请对一个资源进行加锁时候，保证了只会有一个客户端能够加锁成功，其它客户端在锁被释放前都无法获得锁。
EX 选项主要是为了防止出现死锁问题，使用 EX 选项对锁设定了有效时间，当客户端持有锁的时间超过有效时间后，锁会自动被释放（过期）。
避免某个客户端获得锁后突然挂掉或其它原因一直持有锁，导致其它客户端永远无法获得锁。
最后，业务逻辑处理完之后，直接使用 DEL 命令删除指定的 key，就完成了释放锁的操作。
可能出现的问题及解决办法
假设客户端 A 获得锁后开始处理业务，这时候客户端 B 也想要获得锁，但是发现锁已经被客户端 A 占有了。然后为了让自己获得锁，不管三七二十一就使用 DEL 命令把锁给释放了。
导致客户端 A 的正在执行的业务逻辑处于不安全的状态，因为创建的锁被别的客户端释放了。
怎么能避免这个问题呢？
我们可以在 SET 命令中将 value 设置成一个随机字符串，作为持有这个锁的令牌（token）。
客户端在释放锁的时候，需要传入自己的令牌，只有令牌与 value 匹配时才能删除 key，这样就保证了锁只能由持有锁的人才能释放。
示例代码：
function releaseLock($lockKey, $token): bool
{
if (Redis::get($lockKey) == $token) {
Redis::del($lockKey);
return true;
}
return false;
}
releaseLock('order-lock:订单号', '随机值');
可以看到，上面的代码中需要分别执行 GET 和 DEL 命令，两个命令执行的过程中可能会有其它命令被执行，导致我们释放锁的操作是非原子性的，同时也耗费了两次网络请求。
非原子性操作会产生什么问题呢？
- 客户端 A 发出 GET 命令拿到令牌。
- 这时，Redis 中这个 key 过期被删除了。
- 客户端 B 发出 SET 命令获得锁。
- 客户端 B 开始执行业务逻辑。
- 客户端 A 发出 DEL 命令删除 key。
最后导致客户端 B 的锁被客户端 A 释放了。
对于这个问题，我们可以使用 Lua 脚本，让 Redis 来执行释放锁的逻辑，这样 Redis 在执行释放锁的逻辑时就不会被打断，同时减少了一次网络请求。
function releaseLock($lockKey, $token): bool
{
$luaScript = <<<LUA
if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1]
then
return redis.call("del",KEYS[1])
else
return 0
end
LUA;
return (bool) Redis::eval($luaScript, [$lockKey, $token], 1);
}
Lua 脚本的逻辑与我们上面的 PHP 版是一样的，区别是验证令牌及释放锁的逻辑是由 Redis 执行的，在执行的时候不会被其它命令（信号）所打断，也就保证了释放锁操作的原子性。
上面说的这些都是以 Redis 服务正常为前提，如果 Redis 服务宕机，就会导致加不了锁，后续的业务逻辑也就无法正常的运行。
虽然可以使用 Redis 的集群提升 Redis 服务的可用性，但是在一些情况下还是会导致我们的锁失去作用。
进程 A 发送 SET 命令对 order1 进行加锁操作后，Master 实例宕机了，但是数据还没来得及同步给 Slave 实例，所以 Slave 也就没有这条数据。进行主从切换后，Slave 升级为 Master 提供服务，然后进程 B 对 order1 也能够加锁成功，这时候就有两个进程同时对同一个资源进行操作，所以锁也就失去了作用。
Redlock 的介绍
Redlock（Redis lock）是 Redis 作者设计的一种分布式锁，Redlock 直译过来就是红锁。
Redlock 需要部署 N （N >= 2n+1）个独立的 Redis 实例，且实例之间没有任何的联系。也就是说，只要一半以上的 Redis 实例加锁成功，那么 Redlock 依然可以正常运行。
使用独立实例是为了避免 Redis 异步复制导致锁丢失。
Redlock 加锁过程
假设我们有 5 个 Redis 实例，当我们对 order1 这个订单加锁时，先记录当前时间用于统计加锁过程花费的时间，然后依次让 5 个 Redis 实例执行 SET order1 token NX EX 60 命令，最后统计加锁成功的实例数量以及加锁过程耗费的时间。
当加锁成功的实例数量超过半数（>= 3）并且加锁耗费的时间小于锁的有效时间，我们就认为加锁成功了。
为什么需要计算加锁过程耗费的时间呢？
因为当某些 Redis 实例由于网络延迟或其它原因，导致执行 SET 命令花费的时间比较久，这些 Redis 实例执行命令的时间加起来甚至超过了锁的有效时间。
比如锁的有效时间是 4 秒，但是 5 个 Redis 实例执行命令一共花费了 5 秒，对于这种情况，即使加锁成功的实例数量超过了半数，也是算作是加锁失败的。
所以 Redlock 加锁失败有两种情况：
- 加锁成功的实例数量未超过半数。
- 加锁过程花费时间超过锁的有效时间。
Redlock 解锁过程
无论是加锁成功还是加锁失败后都需要去释放锁，及时让出相关资源给其它调用者。
解锁的过程实际上就是让 5 个 Redis 实例依次执行 DEL 命令删除加锁时的 key，为了确保只释放自己的锁，需要用前面提到的 Lua 脚本来代替直接使用 DEL 命令进行解锁操作。
总结
在本文中，先介绍了单实例 Redis 锁的一些问题以及解决方法，然后又介绍了基于多实例的 Redlock 分布式锁的实现，Redlock 在解决了单实例以及集群可能会出现的一些问题。
但是 Redlock 本身还是存在一些问题，比如：
- 加锁/解锁的效率会随着实例数量增加而降低。
- 客户端无法感知锁失效：客户端获取到锁后，处理业务逻辑时锁失效了，客户端是无法感知的，可能会被其它客户端再次获取到。
- 过期时间依赖系统时钟：如果系统发生时钟漂移，那么会影响到 Redis 计算过期时间，导致锁提前失效或持有时间比原来更久。
- …
所以在业务选型的过程中，我们需要结合实际业务情况使用合适的分布式锁组件。
- 业务比较简单或者对锁的可靠性要求不高时，可以直接使用单实例的 Redis 锁。
- 对于锁的可靠性有一定要求，又不想引入其它组件时，可以使用 Redlock。
- 对于锁的可靠性要求比较高时，可以使用 ZooKeeper、Etcd 等组件。
如果你想要更深入的了解 Redlock 或上面提到的问题，推荐你阅读下面这些资料：
