分布式鎖是大型應用中最常見的功能之一，基于Redis實現分布式鎖的方式有很多。本文先介紹并分析常見的分布式鎖實現方式，之后結合阿里巴巴集團在使用云原生內存數據庫Tair和分布式鎖方面的業務經驗，介紹使用Tair實現高性能分布式鎖的實踐方案。
背景信息
分布式鎖及其應用場景
應用開發時，如果需要在同進程內的不同線程并發訪問某項資源，可以使用各種互斥鎖、讀寫鎖；如果一臺主機上的多個進程需要并發訪問某項資源，則可以使用進程間同步的原語，例如信號量、管道、共享內存等。但如果多臺主機需要同時訪問某項資源，就需要使用一種在全局可見并具有互斥性的鎖了。這種鎖就是分布式鎖，可以在分布式場景中對資源加鎖，避免競爭資源引起的邏輯錯誤。
分布式鎖的特性
互斥性
在任意時刻，只有一個客戶端持有鎖。
不死鎖
分布式鎖本質上是一個基于租約（Lease）的租借鎖，如果客戶端獲得鎖后自身出現異常，鎖能夠在一段時間后自動釋放，資源不會被鎖死。
一致性
硬件故障或網絡異常等外部問題，以及慢查詢、自身缺陷等內部因素都可能導致Redis發生高可用切換，replica提升為新的master。此時，如果業務對互斥性的要求非常高，鎖需要在切換到新的master后保持原狀態。
使用原生Redis實現分布式鎖
該部分介紹的實現方式同樣適用于云數據庫 Redis 版社區版。
加鎖
在Redis中加鎖非常簡便，直接使用SET命令即可。示例及關鍵選項說明如下：
SET resource_1 random_value NX EX 5表 1. 關鍵選項說明
參數/選項
說明
resource_1
分布式鎖的key，只要這個key存在，相應的資源就處于加鎖狀態，無法被其它客戶端訪問。
random_value
一個隨機字符串，不同客戶端設置的值不能相同。
EX
設置過期時間，單位為秒。您也可以使用PX選項設置單位為毫秒的過期時間。
NX
如果需要設置的key在Redis中已存在，則取消設置。
示例代碼為resource_1這個key設置了5秒的過期時間，如果客戶端不釋放這個key，5秒后key將過期，鎖就會被系統回收，此時其它客戶端就能夠再次為資源加鎖并訪問資源了。
解鎖
解鎖一般使用DEL命令，但可能存在下列問題。
t1時刻，App1設置了分布式鎖resource_1，過期時間為3秒。
App1由于程序慢等原因等待超過了3秒，而resource_1已經在t2時刻被釋放。
t3時刻，App2獲得這個分布式鎖。
App1從等待中恢復，在t4時刻運行
DEL resource_1將App2持有的分布式鎖釋放了。
從上述過程可以看出，一個客戶端設置的鎖，必須由自己解開。因此客戶端需要先使用GET命令確認鎖是不是自己設置的，然后再使用DEL解鎖。在Redis中通常需要用Lua腳本來實現自鎖自解：
if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call("del",KEYS[1]) else return 0 end續租
當客戶端發現在鎖的租期內無法完成操作時，就需要延長鎖的持有時間，進行續租（renew）。同解鎖一樣，客戶端應該只能續租自己持有的鎖。在Redis中可使用如下Lua腳本來實現續租：
if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call("expire",KEYS[1], ARGV[2]) else return 0 end
使用Tair實現分布式鎖
使用Tair內存型或持久內存型實例的String增強命令，無需Lua即可實現分布式鎖。
加鎖
加鎖方式與原生Redis相同，使用SET命令：
SET resource_1 random_value NX EX 5解鎖
直接使用Tair（企業版）的CAD命令即可實現優雅而高效的解鎖：
/* if (GET(resource_1) == my_random_value) DEL(resource_1) */ CAD resource_1 my_random_value續租
續租可以直接使用CAS命令實現：
CAS resource_1 my_random_value my_random_value EX 10說明CAS命令不會檢查新設置的value和原value是否相同。
基于Jedis的示例代碼
定義CAS/CAD命令
enum TairCommand implements ProtocolCommand { CAD("CAD"), CAS("CAS"); private final byte[] raw; TairCommand(String alt) { raw = SafeEncoder.encode(alt); } @Override public byte[] getRaw() { return raw; } }加鎖
public boolean acquireDistributedLock(Jedis jedis,String resourceKey, String randomValue, int expireTime) { SetParams setParams = new SetParams(); setParams.nx().ex(expireTime); String result = jedis.set(resourceKey,randomValue,setParams); return "OK".equals(result); }解鎖
public boolean releaseDistributedLock(Jedis jedis,String resourceKey, String randomValue) { jedis.getClient().sendCommand(TairCommand.CAD,resourceKey,randomValue); Long ret = jedis.getClient().getIntegerReply(); return 1 == ret; }續租
public boolean renewDistributedLock(Jedis jedis,String resourceKey, String randomValue, int expireTime) { jedis.getClient().sendCommand(TairCommand.CAS,resourceKey,randomValue,randomValue,"EX",String.valueOf(expireTime)); Long ret = jedis.getClient().getIntegerReply(); return 1 == ret; }
如何保障一致性
Redis的主從同步（replication）是異步進行的，如果向master發送請求修改了數據后master突然出現異常，發生高可用切換，緩沖區的數據可能無法同步到新的master（原replica）上，導致數據不一致。如果丟失的數據跟分布式鎖有關，則會導致鎖的機制出現問題，從而引起業務異常。下文介紹三種保障一致性的方法。
紅鎖是Redis作者提出的一致性解決方案。紅鎖的本質是一個概率問題：如果一個主從架構的Redis在高可用切換期間丟失鎖的概率是
k%，那么相互獨立的N個Redis同時丟失鎖的概率是多少？如果用紅鎖來實現分布式鎖，那么丟鎖的概率是(k%)^N。鑒于Redis極高的穩定性，此時的概率已經完全能滿足產品的需求。說明紅鎖的實現并非這樣嚴格，一般保證
M(1<M=<N)個同時鎖上即可，但通常仍舊可以滿足需求。紅鎖的問題在于：
加鎖和解鎖的延遲較大。
難以在集群版或者標準版（主從架構）的Redis實例中實現。
占用的資源過多，為了實現紅鎖，需要創建多個互不相關的云Redis實例或者自建Redis。
使用WAIT命令。
Redis的WAIT命令會阻塞當前客戶端，直到這條命令之前的所有寫入命令都成功從master同步到指定數量的replica，命令中可以設置單位為毫秒的等待超時時間。在云Redis版中使用WAIT命令提高分布式鎖一致性的示例如下：
SET resource_1 random_value NX EX 5 WAIT 1 5000使用以上代碼，客戶端在加鎖后會等待數據成功同步到replica才繼續進行其它操作，最大等待時間為5000毫秒。執行WAIT命令后如果返回結果是1則表示同步成功，無需擔心數據不一致。相比紅鎖，這種實現方法極大地降低了成本。
需要注意的是：
WAIT只會阻塞發送它的客戶端，不影響其它客戶端。
WAIT返回正確的值表示設置的鎖成功同步到了replica，但如果在正常返回前發生高可用切換，數據還是可能丟失，此時WAIT只能用來提示同步可能失敗，無法保證數據不丟失。您可以在WAIT返回異常值后重新加鎖或者進行數據校驗。
解鎖不一定需要使用WAIT，因為鎖只要存在就能保持互斥，延遲刪除不會導致邏輯問題。
使用Tair