一、线程锁和分布式锁
线程锁通常在单个进程中使用，以防止多个线程同时访问共享资源。
在我们.NET中常见的线程锁有：
- 自旋锁：当线程尝试获取锁时，它会重复执行一些简单的指令，直到锁可用
- 互斥锁: Mutex，可以跨进程使用。Mutex 类定义了一个互斥体对象，可以使用 WaitOne() 方法等待对象上的锁
- 混合锁：Monitor，可以通过 lock 关键字来使用
- 读写锁：允许多个线程同时读取共享资源，但只允许单个线程写入共享资源
- 信号量：Semaphore，它允许多个线程同时访问同一个资源
更多的线程同步锁，可以看这篇文章：https://www.cnblogs.com/Z7TS/p/16463494.html
分布式锁是一种用于协调多个进程/节点之间的并发访问的机制，某个资源在同一时刻只能被一个应用所使用,可以通过一些共享的外部存储系统来实现跨进程的同步和互斥
常见的分布式锁实现：
- Redis 分布式锁
- ZooKeeper 分布式锁
- Mysql 分布式锁
- SqlServer 分布式锁
- 文件分布式锁
DistributedLock开源项目中有多种实现方式，我们今天主要讨论Redis中的分布式锁实现。
二、Redis分布式锁的实现原理
基础实现
Redis 本身可以被多个客户端共享访问，正好就是一个共享存储系统，可以用来保存分布式锁，而且 Redis 的读写性能高，可以应对高并发的锁操作场景。
Redis 的 SET 命令有个 NX 参数可以实现「key不存在才插入」，所以可以用它来实现分布式锁：
- 如果 key 不存在，则显示插入成功，可以用来表示加锁成功；
- 如果 key 存在，则会显示插入失败，可以用来表示加锁失败。
SET lock_keyunique_value NX PX 10000 - lock_key 就是 key 键；
- unique_value 是客户端生成的唯一的标识，区分来自不同客户端的锁操作；
- NX 代表只在 lock_key 不存在时，才对 lock_key 进行设置操作；
- PX 10000 表示设置 lock_key 的过期时间为 10s，这是为了避免客户端发生异常而无法释放锁。
释放锁的时候需要删除key，或者使用lua脚本来保证原子性。
// 释放锁时，先比较 unique_value 是否相等，避免锁的误释放 if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call("del",KEYS[1]) else return 0 end 续租机制
基于上文中的实现方式，我们在设置key过期时间时，不能准确的描述业务处理时间。为了防止因为业务处理时间较长导致锁过期而提前释放锁，通过不断更新锁的过期时间来保持锁的有效性，避免了因锁过期而导致的并发问题。
关于这个问题，目前常见的解决方法有两种：
1、实现自动续租机制：额外起一个线程，定期检查线程是否还持有锁，如果有则延长过期时间。DistributedLock里面就实现了这个方案，使用“看门狗”定期检查（每1/3的锁时间检查1次），如果线程还持有锁，则刷新过期时间。
2、实现快速失败机制：当我们解锁时发现锁已经被其他线程获取了，说明此时我们执行的操作已经是“不安全”的了，此时需要进行回滚，并返回失败。
以下是使用StackExchange.Redis 库实现分布式锁和续租机制的示例代码：
public class RedisLock { private readonly IDatabase _database; private readonly string _lockKey; private string _lockValue; private readonly TimeSpan _lockTimeout; private readonly TimeSpan _renewInterval; private bool _isLocked; public RedisLock(IDatabase database, string lockKey, TimeSpan lockTimeout, TimeSpan renewInterval) { _database = database; _lockKey = lockKey; _lockTimeout = lockTimeout; _renewInterval = renewInterval; } //尝试获取锁，如果成功，则启动一个续租线程 public async Task<bool> AcquireAsync() { _lockValue = Guid.NewGuid().ToString(); var acquired = await _database.StringSetAsync(_lockKey, _lockValue, _lockTimeout, When.NotExists); if (acquired) { _isLocked = true; StartRenewal(); } return acquired; } //定期使用 KeyExpireAsync 命令重置键的过期时间，从而实现续租机制 private async void StartRenewal() { while (_isLocked) { await Task.Delay(_renewInterval); await _database.KeyExpireAsync(_lockKey, _lockTimeout); } } } RedLock
Redlock 是一种分布式锁实现方案，它的设计目标是解决 Redis 集群模式下的分布式锁并发控制问题。
它是基于多个 Redis 节点的分布式锁，即使有节点发生了故障，锁变量仍然是存在的，客户端还是可以完成锁操作
Redlock 算法加锁三个过程：
- 客户端获取当前时间（t1）。
- 客户端按顺序依次向 N 个 Redis 节点(官方推荐是至少部署 5 个 Redis 节点)执行加锁操作：
- 加锁操作使用 SET 命令，带上 NX，EX/PX 选项，以及带上客户端的唯一标识。
- 如果某个 Redis 节点发生故障了，为了保证在这种情况下，Redlock 算法能够继续运行，我们需要给「加锁操作」设置一个超时时间（不是对「锁」设置超时时间，而是对「加锁操作」设置超时时间），加锁操作的超时时间需要远远地小于锁的过期时间，一般也就是设置为几十毫秒。
- 一旦客户端从超过半数（大于等于 N/2+1）的 Redis 节点上成功获取到了锁，就再次获取当前时间（t2），然后计算计算整个加锁过程的总耗时（t2-t1）。如果 t2-t1 < 锁的过期时间，此时，认为客户端加锁成功，否则认为加锁失败。
加锁成功后，客户端需要重新计算这把锁的有效时间，计算的结果是「锁最初设置的过期时间」减去「客户端从大多数节点获取锁的总耗时（t2-t1）」。如果计算的结果已经来不及完成共享数据的操作了，我们可以释放锁，以免出现还没完成数据操作，锁就过期了的情况。
加锁失败后，客户端向所有 Redis 节点发起释放锁的操作，释放锁的操作和在单节点上释放锁的操作一样，只要执行释放锁的 Lua 脚本就可以了。
三、DistributedLock开源项目简介
项目介绍
DistributedLock 是一个 .NET 库，它基于各种底层技术提供强大且易于使用的分布式互斥体、读写器锁和信号量。
DistributedLock 包含基于各种技术的实现；可以单独安装实现包，也可以只安装 DistributedLock NuGet 包，这是一个“元”包，其中包含所有实现作为依赖项。请注意，每个包都根据 SemVer 独立进行版本控制。
基础使用
以下两种方法，都是基于RedLock来实现的，在单机上，使用了续租机制，更多细节可以自己观看源码，下文中会简单介绍源码。
- Acquire 方法
Acquire 方法返回一个代表持有锁的“句柄”对象。当句柄被处理时，锁被释放：
var redisDistributedLock = new RedisDistributedLock(name, connectionString); using (redisDistributedLock.Acquire()) { //持有锁 } //释放锁及相关资源 - TryAcquire 方法
虽然 Acquire 将阻塞直到锁可用，但还有一个 TryAcquire 变体，如果无法获取锁（由于在别处持有），则返回 null ：
using (var handle = redisDistributedLock.TryAcquire()) { if (handle != null) { // 我们获得锁 } else { // 别人获得锁 } } 支持异步和依赖注入，依赖注入：
// Startup.cs: services.AddSingleton<IDistributedLockProvider>(_ => new PostgresDistributedSynchronizationProvider(myConnectionString)); services.AddTransient<SomeService>(); // SomeService.cs public class SomeService { private readonly IDistributedLockProvider _synchronizationProvider; public SomeService(IDistributedLockProvider synchronizationProvider) { this._synchronizationProvider = synchronizationProvider; } public void InitializeUserAccount(int id) { // 通过provider构造lock var @lock = this._synchronizationProvider.CreateLock($"UserAccount{id}"); using (@lock.Acquire()) { // } using (this._synchronizationProvider.AcquireLock($"UserAccount{id}")) { // } } } 四、浅析DistributedLock的Redis实现
源码地址
https://github.com/madelson/DistributedLock
目录解析
- DistributedLock.Core 是项目的抽象类库，基础分布式锁、读写锁、信号量的Provider和接口。
- 其它几个类库是用不同存储系统的具体实现
Redis的实现过程
以下代码对源码，进行了删减和修改，只想简单的讲述一下实现过程。
定义一个工厂接口，返回IDistributedLock，在依赖注入场景中，使用这个工厂接口可能会更加方便
public interface IDistributedLockProvider { IDistributedLock CreateLock(string name); } IDistributedLock：定义了控制并发访问的基本操作。该接口支持同步和异步方式获取锁，并提供超时和取消功能，以适应各种情况
public interface IDistributedLock { // 唯一Name string Name { get; } // 获取锁的方法 IDistributedSynchronizationHandle Acquire(TimeSpan? timeout = null, CancellationToken cancellationToken = default); //...... } DistributedLock.Redis类库，对Acquire的具体实现，该方法是尝试获取Redis分布式锁实例。
private async ValueTask<RedisDistributedLockHandle?> TryAcquireAsync(CancellationToken cancellationToken) { // 初始化Redis连接和相关参数 //CreateLockId = $"{Environment.MachineName}_{currentProcess.Id}_" + Guid.NewGuid().ToString("n") var primitive = new RedisMutexPrimitive(this.Key, RedLockHelper.CreateLockId(), this._options.RedLockTimeouts); // 获取和设置锁 var tryAcquireTasks = await new RedLockAcquire(primitive, this._databases, cancellationToken).TryAcquireAsync().ConfigureAwait(false); // 成功后，RedLockHandle这个里边实现了续租机制 return tryAcquireTasks != null ? new RedisDistributedLockHandle(new RedLockHandle(primitive, tryAcquireTasks, extensionCadence: this._options.ExtensionCadence, expiry: this._options.RedLockTimeouts.Expiry)) : null; } 根据当前线程是否在同步上下文，对单库和多库实现进行区分和实现
// 该方法用于尝试获取分布式锁，并返回一个表示各个数据库节点获取锁状态的任务字典 public async ValueTask<Dictionary<IDatabase, Task<bool>>?> TryAcquireAsync() { // 检查当前线程是否在同步上下文中执行，以便根据不同情况采取不同的获取锁策略 if (SyncViaAsync.IsSynchronous&& this._databases.Count == 1) return this.TrySingleFullySynchronousAcquire(); // 创建一个任务字典，将每个数据库连接和其对应的获取锁任务关联起来 var tryAcquireTasks = this._databases.ToDictionary( db => db, db => Helpers.SafeCreateTask(state => state.primitive.TryAcquireAsync(state.db), (primitive, db)) ); // 等待所有获取锁任务完成，并返回一个表示整体状态的任务 var waitForAcquireTask = this.WaitForAcquireAsync(tryAcquireTasks).AwaitSyncOverAsync().ConfigureAwait(false); // 执行清理操作 // 返回结果 return succeeded ? tryAcquireTasks : null; } 单库获取Redis分布式锁，就是通过set nx 设置值，返回bool,失败就释放资源，成功检查是否超时。不超时就返回任务字典
private Dictionary<IDatabase, Task<bool>>? TrySingleFullySynchronousAcquire() { var database = this._databases.Single(); bool success; var stopwatch = Stopwatch.StartNew(); // 通过StackExchange.Redis的StringSet进行无值设置key（set nx） try { success = this._primitive.TryAcquire(database); } catch { // 确保释放锁，以便防止出现死锁等问题。然后重新抛出异常 } if (success) { // 检查是否在超时时间内，并返回一个包含成功状态的任务字典；否则继续释放锁并返回null } return null; } 多库中是否获取到分布式锁
private async Task<bool> WaitForAcquireAsync(IReadOnlyDictionary<IDatabase, Task<bool>> tryAcquireTasks) { // 超时或取消时自动停止等待 using var timeout = new TimeoutTask(this._primitive.AcquireTimeout, this._cancellationToken); var incompleteTasks = new HashSet<Task>(tryAcquireTasks.Values) { timeout.Task }; // 计数器 var successCount = 0; var failCount = 0; var faultCount = 0; while (true) { // 不断等待任务完成，如果任务为timeout，则表示超时；否则需要根据任务的状态和信号来判断是否成功获取锁 var completed = await Task.WhenAny(incompleteTasks).ConfigureAwait(false); if (completed == timeout.Task) return false; // 超时 // 判断是否超过成功或者失败的阀值,是否超过1/2 if (completed.Status == TaskStatus.RanToCompletion) { var result = await ((Task<bool>)completed).ConfigureAwait(false); if (result) { ++successCount; // 是否超过1/2的库 if (RedLockHelper.HasSufficientSuccesses(successCount, this._databases.Count)) { return true; } } else { ++failCount; if (RedLockHelper.HasTooManyFailuresOrFaults(failCount, this._databases.Count)) { return false; } } } else { ++faultCount; // ...... } // ...... } } 截止到目前，我们就知道如何获取和设置分布式锁了。接下来我们就看下是如何实现续租机制的。就是LeaseMonitor这个对象。
private static Task CreateMonitoringLoopTask(WeakReference<LeaseMonitor> weakMonitor, TimeoutValue monitoringCadence, CancellationToken disposalToken) { // 创建监视任务 return Task.Run(() => MonitoringLoop()); async Task MonitoringLoop() { var leaseLifetime = Stopwatch.StartNew(); do { await Task.Delay(monitoringCadence.InMilliseconds, disposalToken).TryAwait(); } // 检查RedLock租约的状态和可用性 while (!disposalToken.IsCancellationRequested && await RunMonitoringLoopIterationAsync(weakMonitor, leaseLifetime).ConfigureAwait(false)); } } RunMonitoringLoopIterationAsync 里边最终调用了续时的lua脚本
你们在公司中，都是如何实现分布式锁的呢？可以在评论区留下您宝贵的建议。
![洛谷 P11345 [KTSC 2023 R2] 基地简化 题解](http://www.itfaba.com/wp-content/themes/kemi/timthumb.php?src=http://www.itfaba.com/wp-content/themes/kemi/img/random/2.jpg&w=218&h=124&zc=1)
