设计一个高并发场景下的分布式锁服务，基于Redis实现，要求解决锁的互斥性、死锁问题、锁续期以及可重入性，并处理Redis集群环境下的潜在问题

题目

设计一个高并发场景下的分布式锁服务，基于Redis实现，要求解决锁的互斥性、死锁问题、锁续期以及可重入性，并处理Redis集群环境下的潜在问题

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐⭐

考点

分布式锁原理,Redis命令使用,集群环境问题,锁续期机制,可重入性设计

快速回答

实现一个健壮的Redis分布式锁需要解决以下核心问题：

• 互斥性：使用SET命令的NX/EX选项原子性加锁
• 死锁预防：设置合理的过期时间，并通过看门狗机制续期
• 可重入性：使用Hash结构存储线程标识和重入计数
• 集群容错：采用Redlock算法应对主从切换场景
• 原子性保证：所有关键操作使用Lua脚本实现

1. 核心问题与解决方案

互斥性实现：

SET lock_key $unique_value NX EX 30

• NX确保仅当key不存在时设置成功
• EX设置自动过期时间（单位秒）
• $unique_value使用UUID+线程ID，避免误删

死锁预防：

• 基础方案：设置过期时间（EX参数）
• 增强方案：看门狗线程定期续期（示例代码见章节3）

2. 可重入锁实现

使用Redis Hash结构存储锁信息：

HSET lock_key thread_id:123 1  # 首次获取
HINCRBY lock_key thread_id:123 1  # 重入

释放锁的Lua脚本：

local key = KEYS[1]
local threadId = ARGV[1]
local count = redis.call('HGET', key, threadId)

if not count or tonumber(count) <= 0 then
    return 0
end

local newCount = tonumber(count) - 1
if newCount == 0 then
    redis.call('HDEL', key, threadId)
    return 1
else
    redis.call('HSET', key, threadId, newCount)
    return newCount
end

3. 锁续期机制（看门狗）

Java示例代码：

private void renewExpiration() {
    Thread renewalThread = new Thread(() -> {
        while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
            try {
                // 每10秒续期一次
                Thread.sleep(10000);
                // Lua脚本验证所有权并延长过期时间
                String script = "if redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[1]) == 1 then " +
                               "return redis.call('expire', KEYS[1], ARGV[2]) " +
                               "else return 0 end";
                redis.eval(script, 
                           Collections.singletonList(lockKey), 
                           Arrays.asList(threadId, "30"));
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }
    });
    renewalThread.setDaemon(true);
    renewalThread.start();
}

4. 集群环境解决方案（Redlock算法）

在Redis集群中实现步骤：

1. 获取当前毫秒级时间戳T1
2. 在N个独立Redis实例上顺序执行加锁命令（N通常为5）
3. 计算获取锁耗时 = 当前时间T2 - T1
4. 有效条件：成功实例数 ≥ N/2+1 且 耗时 ＜ 锁有效期
5. 若加锁失败，向所有实例发送删除命令

Redlock加锁伪代码：

List<RedisNode> nodes = getRedisNodes();
int successCount = 0;
long startTime = System.currentTimeMillis();

for (RedisNode node : nodes) {
    if (setLock(node, resource, uuid, timeout)) {
        successCount++;
    }
}

long elapsed = System.currentTimeMillis() - startTime;
boolean valid = (successCount >= nodes.size()/2 + 1) 
                && (elapsed < lockTime);

5. 最佳实践与注意事项

• 时钟跳跃问题： 避免依赖系统时钟，使用Redis时间API
• 网络分区处理： 设置合理的锁有效期，避免脑裂导致的双重加锁
• 性能优化：
  • 锁粒度拆分：大锁拆分为小锁
  • 尝试锁退避：使用指数退避算法重试
• 错误示例：

  // 错误！非原子操作可能导致死锁
  jedis.setnx("lock", "value");
  jedis.expire("lock", 30);

6. 扩展知识

• Redisson实现： Java客户端提供开箱即用的RLock，支持自动续期和Redlock
• 锁优化方案：
  • 锁分段：ConcurrentHashMap思想，如库存锁拆分为10个槽
  • 乐观锁：配合Redis事务/WATCH实现CAS操作
• 替代方案对比：

  方案	一致性	性能	复杂度
  Redis锁	最终	高	中
  ZooKeeper	强	中	高
  ETCD	强	高	高