redis解決高并发分布式锁相关学习

引出问题

高并发环境下还有如下三个问题

1. 如果redis宕机了，或者链接不上，怎么办？
2. 如果redis缓存在高峰期到期失效，在这个时刻请求会向雪崩一样，直接访问数据库如何处理？
3. 如果用户不停地查询一条不存在的数据，缓存没有，数据库也没有，那么会出现什么情况，如何处理？

这里可以引出缓存的几个术语

缓存问题术语

1.缓存穿透

缓存穿透是指查询一个一定不存在的数据，由于缓存是不命中，将去查询数据库，但是数据库也无此记录，并且处于容错考虑，我们没有将这次查询的null写入缓存，这将导致这个不存在的数据每次请求都要到存储层去查询，失去了缓存的意义。在流量大时，可能DB就挂掉了，要是有人利用不存在的key频繁攻击我们的应用，这就是漏洞。

解决

空结果进行缓存，但它的过期时间会很短，最长不超过五分钟。

2.缓存雪崩

缓存雪崩是指在我们设置缓存时采用了相同的过期时间，导致缓存在某一时刻同时失效，请求全部转发到DB，DB瞬时压力过重雪崩。

解决：

原有的失效时间基础上增加一个随机值，比如1-5分钟随机，这样每一个缓存的过期时间的重复率就会降低，就很难引发集体失效的事件。

3.缓存击穿

对于一些设置了过期时间的key，如果这些key可能会在某些时间点被超高并发地访问，是一种非常“热点”的数据。这个时候，需要考虑一个问题：如果这个key在大量请求同时进来前正好失效，那么所有对这个key的数据查询都落到db，我们称为缓存击穿。

和缓存雪崩的区别：

击穿是一个热点key失效

雪崩是很多key集体失效

解决：

分布式锁

那么问题来了，什么是分布式锁？如何实现分布式锁？

分布式锁

是什么？

为了防止分布式系统中的多个进程之间相互干扰，我们需要一种分布式协调技术来对这些进程进行调度。而这个分布式协调技术的核心就是来实现这个分布式锁

分布式锁应该具备哪些条件

• 在分布式系统环境下，一个方法在同一时间只能被一个机器的一个线程执行
• 高可用的获取锁与释放锁
• 高性能的获取锁与释放锁
• 具备可重入特性（可理解为重新进入，由多于一个任务并发使用，而不必担心数据错误）
• 具备锁失效机制，防止死锁
• 具备非阻塞锁特性，即没有获取到锁将直接返回获取锁失败

分布式锁的实现有哪些

• Memcached：利用 Memcached 的 add 命令。此命令是原子性操作，只有在 key 不存在的情况下，才能 add 成功，也就意味着线程得到了锁。
• Redis：和 Memcached 的方式类似，利用 Redis 的 setnx 命令。此命令同样是原子性操作，只有在 key 不存在的情况下，才能 set 成功。
• Zookeeper：利用 Zookeeper 的顺序临时节点，来实现分布式锁和等待队列。Zookeeper 设计的初衷，就是为了实现分布式锁服务的。
• Chubby：Google 公司实现的粗粒度分布式锁服务，底层利用了 Paxos 一致性算法。

通过 Redis 分布式锁的实现理解基本概念

加锁

最简单的方法是使用 setnx 命令。key 是锁的唯一标识，按业务来决定命名。比如想要给一种商品的秒杀活动加锁，可以给 key 命名为 “lock_sale_商品ID” 。而 value 设置成什么呢？我们可以姑且设置成 1。加锁的伪代码如下：

setnx（lock_sale_商品ID，1）

当一个线程执行 setnx 返回 1，说明 key 原本不存在，该线程成功得到了锁；当一个线程执行 setnx 返回 0，说明 key 已经存在，该线程抢锁失败。

解锁

有加锁就得有解锁。当得到锁的线程执行完任务，需要释放锁，以便其他线程可以进入。释放锁的最简单方式是执行 del 指令，伪代码如下：

del（lock_sale_商品ID）

释放锁之后，其他线程就可以继续执行 setnx 命令来获得锁。

锁超时

锁超时是什么意思呢？如果一个得到锁的线程在执行任务的过程中挂掉，来不及显式地释放锁，这块资源将会永远被锁住（死锁），别的线程再也别想进来。所以，setnx 的 key 必须设置一个超时时间，以保证即使没有被显式释放，这把锁也要在一定时间后自动释放。setnx 不支持超时参数，所以需要额外的指令，伪代码如下：

expire（lock_sale_商品ID， 30）

综合伪代码如下：

if（setnx（lock_sale_商品ID，1） == 1）{
    expire（lock_sale_商品ID，30）
    try {
        do something ......
    } finally {
        del（lock_sale_商品ID）
    }
}

存在问题

1.setnx 和 expire 的非原子性
设想一个极端场景，当某线程执行 setnx，成功得到了锁

setnx 刚执行成功，还未来得及执行 expire 指令，节点 1 挂掉了

这样一来，这把锁就没有设置过期时间，变成死锁，别的线程再也无法获得锁了。

怎么解决呢？setnx 指令本身是不支持传入超时时间的，set 指令增加了可选参数，伪代码如下：

set（lock_sale_商品ID，1，30，NX）

这样就可以取代 setnx 指令。
2.del 导致误删
又是一个极端场景，假如某线程成功得到了锁，并且设置的超时时间是 30 秒。

如果某些原因导致线程 A 执行的很慢很慢，过了 30 秒都没执行完，这时候锁过期自动释放，线程 B 得到了锁。

随后，线程 A 执行完了任务，线程 A 接着执行 del 指令来释放锁。但这时候线程 B 还没执行完，线程A实际上 删除的是线程 B 加的锁。

怎么避免这种情况呢？可以在 del 释放锁之前做一个判断，验证当前的锁是不是自己加的锁。至于具体的实现，可以在加锁的时候把当前的线程 ID 当做 value，并在删除之前验证 key 对应的 value 是不是自己线程的 ID。

加锁：

String threadId = Thread.currentThread().getId()
set（key，threadId ，30，NX）

解锁：

if（threadId .equals(redisClient.get(key))）{
    del(key)
}

但是，这样做又隐含了一个新的问题，判断和释放锁是两个独立操作，不是原子性。

3.出现并发的可能性
还是刚才第二点所描述的场景，虽然我们避免了线程 A 误删掉 key 的情况，但是同一时间有 A，B 两个线程在访问代码块，仍然是不完美的。怎么办呢？我们可以让获得锁的线程开启一个守护线程，用来给快要过期的锁“续航”。

当过去了 29 秒，线程 A 还没执行完，这时候守护线程会执行 expire 指令，为这把锁“续命”20 秒。守护线程从第 29 秒开始执行，每 20 秒执行一次。

当线程 A 执行完任务，会显式关掉守护线程。

另一种情况，如果节点 1 忽然断电，由于线程 A 和守护线程在同一个进程，守护线程也会停下。这把锁到了超时的时候，没人给它续命，也就自动释放了。