面试题：在高并发场景下，如何彻底解决Redis分布式锁SETNX与EXPIRE组合缺陷并保证原子性

Question

在高并发环境中，SETNX和EXPIRE组合的原子性问题较为突出。假设需要设计一个高可用、高性能且能保证原子性的分布式锁方案，结合Redis的特性（如Lua脚本等），请详细描述设计思路、实现步骤以及需要考虑的边界情况。

Answer 1

设计思路

1. 利用Lua脚本保证原子性：Redis执行Lua脚本是原子性的，通过Lua脚本可以将获取锁（SETNX）和设置过期时间（EXPIRE）合并成一个原子操作，避免在高并发下SETNX成功但EXPIRE失败导致的死锁问题。
2. 锁的唯一标识：为每个锁生成一个唯一的标识（例如UUID），用于在释放锁时进行校验，防止误释放其他客户端获取的锁。
3. 高可用：使用Redis集群来提供高可用性，确保即使部分节点故障，锁服务依然可用。
4. 高性能：尽量减少网络开销，通过合理设置过期时间避免长时间占用资源，同时利用Redis的单线程快速处理特性。

实现步骤

1. 生成唯一标识：在客户端生成一个唯一的锁标识，例如使用UUID生成算法。
2. 编写Lua脚本：

-- KEYS[1]为锁的键
-- ARGV[1]为唯一标识
-- ARGV[2]为过期时间（秒）
if (redis.call('SETNX', KEYS[1], ARGV[1]) == 1) then
    redis.call('EXPIRE', KEYS[1], ARGV[2])
    return 1
else
    return 0
end

3. 执行Lua脚本获取锁：在客户端使用Redis的EVAL命令执行上述Lua脚本，传递锁的键、唯一标识和过期时间作为参数。如果返回1，表示获取锁成功；返回0表示获取锁失败。
4. 释放锁：同样通过Lua脚本实现，确保释放锁的操作也是原子性的。

-- KEYS[1]为锁的键
-- ARGV[1]为唯一标识
if (redis.call('GET', KEYS[1]) == ARGV[1]) then
    return redis.call('DEL', KEYS[1])
else
    return 0
end

在客户端执行这个Lua脚本，传递锁的键和唯一标识，如果返回1，表示释放锁成功；返回0表示锁可能已经被其他客户端释放或者标识不匹配。

边界情况考虑

1. 锁过期问题：合理设置过期时间，既要保证业务逻辑执行完成，又不能过长导致资源长时间被占用。如果业务执行时间可能超过过期时间，可以考虑在业务逻辑中进行续期操作（例如使用另一个Lua脚本实现自动续期）。
2. 网络故障：在获取锁和释放锁过程中可能出现网络故障。获取锁失败时，客户端应进行适当的重试。释放锁失败时，客户端可以记录日志并尝试再次释放，或者等待锁过期自动释放。
3. Redis集群故障：如果使用Redis集群，要考虑部分节点故障时的情况。可以采用如Redisson等框架，它们有更完善的集群模式下的锁实现，能在节点故障转移时保证锁的一致性和可用性。
4. 锁重入：如果业务需要支持锁重入，可以在获取锁时判断当前线程（或客户端标识）是否已经持有锁，如果是则增加持有计数，释放锁时减少计数，当计数为0时真正释放锁。这需要在锁的数据结构中记录持有线程（或客户端标识）和持有计数等信息。