前言
近來，分布式的問題被廣泛提及，比如分布式事務、分布式框架、ZooKeeper、SpringCloud等等。本文先回顧鎖的概念，再介紹分布式鎖，以及如何用Redis來實現分布式鎖。
一、鎖的基本了解
首先，回顧一下我們工作學習中的鎖的概念。
為什么要先講鎖再講分布式鎖呢？
我們都清楚，鎖的作用是要解決多線程對共享資源的訪問而產生的線程安全問題，而在平時生活中用到鎖的情況其實並不多，可能有些朋友對鎖的概念和一些基本的使用不是很清楚，所以我們先看鎖，再深入介紹分布式鎖。
通過一個賣票的小案例來看，比如大家去搶dota2 ti9門票，如果不加鎖的話會出現什么問題？此時代碼如下：
**代碼分析：**這里有8張ti9門票，設置了10個線程（也就是模擬10個人）去並發搶票，如果搶成功了顯示成功，搶失敗的話顯示失敗。按理說應該有8個人搶成功了，2個人搶失敗，下面來看運行結果：
我們發現運行結果和預期的情況不一致，居然10個人都買到了票，也就是說出現了線程安全的問題，那么是什么原因導致的呢？
原因就是多個線程之間產生了時間差。
如圖所示，只剩一張票了，但是兩個線程都讀到的票余量是1，也就是說線程B還沒有等到線程A改庫存就已經搶票成功了。
怎么解決呢？想必大家都知道，加個synchronized關鍵字就可以了，在一個線程進行reduce方法的時候，其他線程則阻塞在等待隊列中，這樣就不會發生多個線程對共享變量的競爭問題。
舉個例子
比如我們去健身房健身，如果好多人同時用一台機器，同時在一台跑步機上跑步，就會發生很大的問題，大家會打得不可開交。如果我們加一把鎖在健身房門口，只有拿到鎖的鑰匙的人才可以進去鍛煉，其他人在門外等候，這樣就可以避免大家對健身器材的競爭。代碼如下：
運行結果：
果不其然，結果有兩個人沒有成功搶到票，看來我們的目地達成了。
二、鎖的性能優化
2.1 縮短鎖的持有時間
事實上，按照我們對日常生活的理解，不可能整個健身房只有一個人在運動。所以我們只需要對某一台機器加鎖就可以了，比如一個人在跑步，另一個人可以去做其他的運動。
對於票務系統來說，我們只需要對庫存的修改操作的代碼加鎖就可以了，別的代碼還是可以並行進行，這樣會大大減少鎖的持有時間，代碼修改如下：
這樣做的目的是充分利用cpu的資源，提高代碼的執行效率。
這里我們對兩種方式的時間做個打印：
果然，只對部分代碼加鎖會大大提供代碼的執行效率。
所以，在解決了線程安全的問題后，我們還要考慮到加鎖之后的代碼執行效率問題。
2.2 減少鎖的粒度
舉個例子，有兩場電影，分別是最近剛上映的魔童哪吒和蜘蛛俠，我們模擬一個支付購買的過程，讓方法等待，加了一個CountDownLatch的await方法，運行結果如下：
執行結果：
魔童哪吒的剩余票數為：20
我們發現買哪吒票的時候阻塞會影響蜘蛛俠票的購買，而實際上，這兩場電影之間是相互獨立的，所以我們需要減少鎖的粒度，將movie整個對象的鎖變為兩個全局變量的鎖，修改代碼如下：
執行結果：
魔童哪吒的剩余票數為：20
蜘蛛俠的剩余票數為：100
現在兩場電影的購票不會互相影響了，這就是第二個優化鎖的方式：減少鎖的粒度。順便提一句，Java並發包里的ConcurrentHashMap就是把一把大鎖變成了16把小鎖，通過分段鎖的方式達到高效的並發安全。
2.3 鎖分離
鎖分離就是常說的讀寫分離，我們把鎖分成讀鎖和寫鎖，讀的鎖不需要阻塞，而寫的鎖要考慮並發問題。
三、鎖的種類
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公平鎖： ReentrantLock
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非公平鎖： Synchronized、ReentrantLock、cas
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悲觀鎖： Synchronized
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樂觀鎖：cas
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獨享鎖：Synchronized、ReentrantLock
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共享鎖：Semaphore
這里就不一一講述每一種鎖的概念了，大家可以自己學習，鎖還可以按照偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖來分類。
四、Redis分布式鎖
了解了鎖的基本概念和鎖的優化后，重點介紹分布式鎖的概念。
上圖所示是我們搭建的分布式環境，有三個購票項目，對應一個庫存，每一個系統會有多個線程，和上文一樣，對庫存的修改操作加上鎖，能不能保證這6個線程的線程安全呢？
當然是不能的，因為每一個購票系統都有各自的JVM進程，互相獨立，所以加synchronized只能保證一個系統的線程安全，並不能保證分布式的線程安全。
所以需要對於三個系統都是公共的一個中間件來解決這個問題。
這里我們選擇Redis來作為分布式鎖，多個系統在Redis中set同一個key，只有key不存在的時候，才能設置成功，並且該key會對應其中一個系統的唯一標識，當該系統訪問資源結束后，將key刪除，則達到了釋放鎖的目的。
4.1 分布式鎖需要注意哪些點
1）互斥性
在任意時刻只有一個客戶端可以獲取鎖。
這個很容易理解，所有的系統中只能有一個系統持有鎖。
2）防死鎖
假如一個客戶端在持有鎖的時候崩潰了，沒有釋放鎖，那么別的客戶端無法獲得鎖，則會造成死鎖，所以要保證客戶端一定會釋放鎖。
Redis中我們可以設置鎖的過期時間來保證不會發生死鎖。
3）持鎖人解鎖
解鈴還須系鈴人，加鎖和解鎖必須是同一個客戶端，客戶端A的線程加的鎖必須是客戶端A的線程來解鎖，客戶端不能解開別的客戶端的鎖。
4）可重入
當一個客戶端獲取對象鎖之后，這個客戶端可以再次獲取這個對象上的鎖。
4.2 Redis分布式鎖流程
Redis分布式鎖的具體流程：
1）首先利用Redis緩存的性質在Redis中設置一個key-value形式的鍵值對，key就是鎖的名稱，然后客戶端的多個線程去競爭鎖，競爭成功的話將value設為客戶端的唯一標識。Java學習圈子:14 201 9 080
2）競爭到鎖的客戶端要做兩件事：
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設置鎖的有效時間 目的是防死鎖 （非常關鍵）
需要根據業務需要，不斷的壓力測試來決定有效期的長短。
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分配客戶端的唯一標識，目的是保證持鎖人解鎖（非常重要）
所以這里的value就設置成唯一標識(比如uuid)。
3）訪問共享資源
4）釋放鎖，釋放鎖有兩種方式，第一種是有效期結束后自動釋放鎖，第二種是先根據唯一標識判斷自己是否有釋放鎖的權限，如果標識正確則釋放鎖。
4.3 加鎖和解鎖
4.3.1 加鎖
1）setnx命令加鎖
set if not exists 我們會用到Redis的命令setnx，setnx的含義就是只有鎖不存在的情況下才會設置成功。
2）設置鎖的有效時間，防止死鎖 expire
加鎖需要兩步操作，思考一下會有什么問題嗎？
假如我們加鎖完之后客戶端突然掛了呢？那么這個鎖就會成為一個沒有有效期的鎖，接着就可能發生死鎖。雖然這種情況發生的概率很小，但是一旦出現問題會很嚴重，所以我們也要把這兩步合為一步。
幸運的是，Redis3.0已經把這兩個指令合在一起成為一個新的指令。
來看jedis的官方文檔中的源碼：
這就是我們想要的！
4.3.2 解鎖
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檢查是否自己持有鎖（判斷唯一標識）；
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刪除鎖。
解鎖也是兩步，同樣也要保證解鎖的原子性，把兩步合為一步。
這就無法借助於Redis了，只能依靠Lua腳本來實現。
這就是一段判斷是否自己持有鎖並釋放鎖的Lua腳本。
為什么Lua腳本是原子性呢？因為Lua腳本是jedis用eval()函數執行的，如果執行則會全部執行完成。
五、Redis分布式鎖代碼實現
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用一個上下文全局變量來記錄持有鎖的人的uuid，解鎖的時候需要將該uuid作為參數傳入Lua腳本中，來判斷是否可以解鎖。
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要記錄當前線程，來實現分布式鎖的重入性，如果是當前線程持有鎖的話，也屬於加鎖成功。
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用eval函數來執行Lua腳本，保證解鎖時的原子性。
六、分布式鎖的對比
6.1 基於數據庫的分布式鎖
1）實現方式
獲取鎖的時候插入一條數據，解鎖時刪除數據。
2）缺點
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數據庫如果掛掉會導致業務系統不可用。
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無法設置過期時間，會造成死鎖。
6.2 基於zookeeper的分布式鎖
1）實現方式
加鎖時在指定節點的目錄下創建一個新節點，釋放鎖的時候刪除這個臨時節點。因為有心跳檢測的存在，所以不會發生死鎖，更加安全。
2）缺點
性能一般，沒有Redis高效。
所以：
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從性能角度： Redis > zookeeper > 數據庫
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從可靠性（安全）性角度： zookeeper > Redis > 數據庫
七、總結
本文從鎖的基本概念出發，提出多線程訪問共享資源會出現的線程安全問題，然后通過加鎖的方式去解決線程安全的問題，這個方法會性能會下降，需要通過：縮短鎖的持有時間、減小鎖的粒度、鎖分離三種方式去優化鎖。
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之后介紹了分布式鎖的4個特點：
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互斥性
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防死鎖
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加鎖人解鎖
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可重入性
然后用Redis實現了分布式鎖，加鎖的時候用到了Redis的命令去加鎖，解鎖的時候則借助了Lua腳本來保證原子性。
最后對比了三種分布式鎖的優缺點和使用場景。