面试题：Redis对象的复杂并发场景下锁机制的设计与实现

Question

假设存在一个复杂的业务场景，多个服务实例需要对Redis中的多个相关对象进行原子性操作，且操作过程中可能涉及到锁的嵌套使用和长时间持有锁。请设计一套完整的锁机制方案，包括锁的类型选择、锁的获取与释放逻辑、如何避免死锁以及保证数据的最终一致性，并说明方案在不同故障场景（如网络分区、节点宕机）下的应对策略。

Answer 1

锁的类型选择

1. 分布式锁：鉴于多个服务实例需要对Redis中的对象进行原子性操作，选用基于Redis的分布式锁。例如，可以使用SETNX（SET if Not eXists）命令实现简单的分布式锁。在Redis 2.6.12及以上版本，可使用更强大的SET key value NX EX milliseconds 命令，它将SETNX和EXPIRE合并成一个原子操作，确保在设置锁的同时设置过期时间，防止因程序异常未释放锁而导致死锁。
2. 读写锁：如果业务场景存在较多读操作，可引入读写锁。读锁允许多个实例同时获取，写锁则独占。在Redis中可通过维护计数器来模拟读写锁，读锁增加读计数器，写锁等待读计数器为0且自己获取锁成功后执行操作。

锁的获取与释放逻辑

1. 获取锁：
   • 简单分布式锁：使用SET key value NX EX milliseconds命令尝试获取锁。其中key为锁的标识，value可设置为一个唯一值（如UUID），用于标识获取锁的实例，防止误释放其他实例的锁。milliseconds为锁的过期时间。
   • 读写锁 - 读锁：先检查写锁是否被持有（通过判断写锁对应的标识是否存在），若未被持有，则增加读计数器。如果写锁被持有，则等待。
   • 读写锁 - 写锁：先等待读计数器为0，然后尝试获取写锁（使用类似分布式锁的SET命令）。
2. 释放锁：
   • 简单分布式锁：通过Lua脚本来释放锁，确保释放操作的原子性。Lua脚本先检查锁的value是否与当前实例设置的value一致，一致则执行DEL key命令释放锁。例如：

if redis.call("GET", KEYS[1]) == ARGV[1] then
    return redis.call("DEL", KEYS[1])
else
    return 0
end

- **读写锁 - 读锁**：减少读计数器。
- **读写锁 - 写锁**：删除写锁对应的标识，并重置读计数器。

避免死锁

1. 设置合理的锁过期时间：在获取锁时设置合理的过期时间，如上述SET key value NX EX milliseconds中的milliseconds。即使某个实例获取锁后因异常未能正常释放锁，过期时间一到，锁会自动释放，其他实例可继续获取锁。
2. 使用死锁检测机制：可以定期扫描所有正在使用的锁，记录获取锁的时间。若某个锁被持有时间过长，超过预设的阈值，则判定可能发生死锁，强制释放该锁。在Redis中可通过维护一个带有时间戳的锁记录表来实现。

保证数据的最终一致性

1. 日志记录：在对Redis中的对象进行操作前，先将操作记录到日志中（可使用Redis的List数据结构）。若操作过程中出现异常，可根据日志进行恢复。
2. 补偿机制：在服务恢复或故障排除后，通过扫描日志，对未完成的操作进行补偿。例如，若某个写操作因网络问题未成功完成，可重新执行该操作。
3. 异步复制：Redis的主从复制机制可保证数据在一定程度上的一致性。在进行写操作时，等待主节点将数据同步到至少一个从节点后再返回成功，提高数据的可靠性。

不同故障场景下的应对策略

1. 网络分区：
   • 读操作：如果读操作对一致性要求不高，可以从本地缓存（如Ehcache）或部分可用的从节点读取数据。若要求强一致性，则等待网络恢复后再进行读操作。
   • 写操作：在网络分区期间，只允许一个分区内的实例进行写操作（可通过选举算法如Raft或Paxos实现）。其他分区的写请求暂时缓存，待网络恢复后合并处理。
2. 节点宕机：
   • 读操作：从其他可用的从节点读取数据。若所有从节点都不可用，且主节点正常，可将读请求转发到主节点。
   • 写操作：如果宕机的是从节点，主节点继续提供写服务，并在从节点恢复后重新进行数据同步。若宕机的是主节点，通过选举算法选举新的主节点，新主节点接管写操作，并同步数据到其他从节点。