Redis实现分布式锁原理与实现分析

一、关于分布式锁

关于分布式锁，可能绝大部分人都会或多或少涉及到。 
我举二个例子： 
场景一：从前端界面发起一笔支付请求，如果前端没有做防重处理，那么可能在某一个时刻会有二笔一样的单子同时到达系统后台。

场景二：在App中下订单的时候，点击确认之后，没反应，就又点击了几次。在这种情况下，如果无法保证该接口的幂等性，那么将会出现重复下单问题。 
在接收消息的时候，消息推送重复。如果处理消息的接口无法保证幂等，那么重复消费消息产生的影响可能会非常大。

类似这种场景，我们有很多种方法，可以使用幂等操作，也可以使用锁的操作。 
我们先来解释一下什么是幂等操作： 
所谓幂等，简单地说，就是对接口的多次调用所产生的结果和调用一次是一致的。扩展一下，这里的接口，可以理解为对外发布的HTTP接口或者Thrift接口，也可以是接收消息的内部接口，甚至是一个内部方法或操作。

在分布式环境中，网络环境更加复杂， 
因前端操作抖动、网络故障、消息重复、响应速度慢等原因，对接口的重复调用概率会比集中式环境下更大，尤其是重复消息在分布式环境中很难避免。Tyler Treat也在《You Cannot Have Exactly-Once Delivery》一文中提到：

Within the context of a distributed system, you cannot have exactly-once message delivery.

分布式环境中，有些接口是天然保证幂等性的，如查询操作。有些对数据的修改是一个常量，并且无其他记录和操作，那也可以说是具有幂等性的。其他情况下，所有涉及对数据的修改、状态的变更就都有必要防止重复性操作的发生。通过间接的实现接口的幂等性来防止重复操作所带来的影响，成为了一种有效的解决方案。

于是我们根据以上内容就可以讲一下使用分布式锁的方法有哪些。

1、使用数据库乐观锁，包括主键防重，版本号控制。但是这两种方法各有利弊。

• 使用主键冲突的策略进行防重，在并发量非常高的情况下对数据库性能会有影响，尤其是应用数据表和主键冲突表在一个库的时候，表现更加明显。其实针对是否会对数据库性能产生影响这个话题，我也和一些专业的DBA同学讨论过，普遍认可的是在MySQL数据库中采用主键冲突防重，在大并发情况下有可能会造成锁表现象，比较好的办法是在程序中生产主键进行防重。

• 使用版本号策略 
  这个策略源于mysql的mvcc机制，使用这个策略其实本身没有什么问题，唯一的问题就是对数据表侵入较大，我们要为每个表设计一个版本号字段，然后写一条判断sql每次进行判断。

2、Zookeeper防重策略 
利用ZK确实是一个不错的方案，流程如下： 
 
以前的版本中普遍传言说它的性能不好，但是后续的版本性能得到了较大提高，经过系统压测还是能够支撑较大并发量的，经过压测三台Zookeeper能搞住20000tps。 
用zookeeper的优点大概有：高可用、公平锁、心跳保持锁。

3、Redis防重策略 
关于主从Redis方案最简单的实现流程如下： 
 
表面来看，这个方案似乎很管用，但是这里存在一个问题：在我们的系统架构里存在一个单点故障，如果Redis的master节点宕机了怎么办呢？有人可能会说：加一个slave节点！在master宕机时用slave就行了！但是其实这个方案明显是不可行的，因为这种方案无法保证第1个安全互斥属性，因为Redis的复制是异步的。 总的来说，这个方案里有一个明显的竞争条件（race condition），举例来说：

• 客户端A在master节点拿到了锁。
• master节点在把A创建的key写入slave之前宕机了。
• slave变成了master节点
• B也得到了和A还持有的相同的锁（因为原来的slave里还没有A持有锁的信息）

于是我就在想，我该如何做才能让Redis在分布式锁这一块能够达到高可用呢？ 
于是基于Tedis的思想（http://www.oschina.net/p/tedis） 我自己写了一套针对分布式锁的双写Redis框架。

二、双写Redis的架构图

说明： 
组件名叫YeeRedisGroup，基本服务主要有四个，当数据到来的时候，会分别插入二个Redis服务，这二个Redis服务采用的是异地双活的方案，当其中一个Redis服务挂了以后，会将这个Redis服务从可用队列中摘除，放入重试队列中，另一个Redis则会继续使用。同样读取Redis的时候只会从可用队列中读取第一个Redis服务继续读取。

三、双写Redis的类图结构

说明：这个图其实没什么可说的，大家自己看就可以了。

四、双写Redis的时序图

 
说明：这个图主要就是说明了整体系统交互流程是怎样的。

五、故障容错流程图

六、故障重试流程图

七、主动通知与主动查询流程图

八、Redis可用队列与重试队列结构图