面试题：缓存设计之Redis分布式锁在复杂业务场景的深度应用

1. 分布式锁实现思路

使用Redis的SETNX（SET if Not eXists）命令来实现分布式锁。SETNX命令在指定的key不存在时，为key设置指定的值，若key已存在则不做任何操作。同时，为了处理锁的过期时间与业务执行时间的关系，我们需要在获取锁时设置一个合理的过期时间，并且在业务执行过程中，若发现锁即将过期，需要进行锁续约。

2. Redis操作

获取锁

import redis

redis_client = redis.StrictRedis(host='localhost', port=6379, db=0)

def acquire_lock(lock_key, lock_value, expire_time):
    result = redis_client.set(lock_key, lock_value, nx=True, ex=expire_time)
    return result

在上述代码中，set 方法的 nx=True 表示只有当 lock_key 不存在时才会设置成功，ex=expire_time 表示设置锁的过期时间。

释放锁

def release_lock(lock_key, lock_value):
    pipe = redis_client.pipeline()
    while True:
        try:
            pipe.watch(lock_key)
            if pipe.get(lock_key) == lock_value.encode('utf-8'):
                pipe.multi()
                pipe.delete(lock_key)
                pipe.execute()
                return True
            pipe.unwatch()
            break
        except redis.WatchError:
            continue
    return False

这里使用 watch 命令来监控 lock_key，确保在删除锁之前，锁的值没有被其他客户端修改。如果锁的值与当前客户端设置的值相同，则删除锁。

锁续约

def renew_lock(lock_key, lock_value, expire_time):
    pipe = redis_client.pipeline()
    while True:
        try:
            pipe.watch(lock_key)
            if pipe.get(lock_key) == lock_value.encode('utf-8'):
                pipe.multi()
                pipe.setex(lock_key, expire_time, lock_value)
                pipe.execute()
                return True
            pipe.unwatch()
            break
        except redis.WatchError:
            continue
    return False

在业务执行过程中，通过 renew_lock 方法来延长锁的过期时间，确保业务完成之前锁不会过期。

3. 异常处理

获取锁异常

如果获取锁失败，可能是因为其他客户端已经获取了锁，此时可以选择等待一段时间后重试，或者直接返回失败信息给用户。例如：

max_retries = 3
retry_delay = 0.1
for i in range(max_retries):
    if acquire_lock(lock_key, lock_value, expire_time):
        break
    time.sleep(retry_delay)
else:
    # 获取锁失败处理逻辑
    raise Exception("Failed to acquire lock")

释放锁异常

释放锁失败可能是因为锁已经过期或被其他客户端删除，这种情况下需要检查业务状态，确保商品没有超卖。如果业务已经完成，可以忽略释放锁失败的情况；如果业务未完成，需要根据具体业务逻辑进行回滚或重试。

锁续约异常

锁续约失败可能导致业务未完成锁就过期，从而引发超卖问题。因此，在锁续约失败时，需要尽快重新获取锁并继续执行业务。可以在业务执行过程中定时检查锁的剩余时间，提前进行锁续约操作。

4. 保障业务逻辑正确性

数据一致性

在分布式环境下，为了保障集群一致性，可以使用Redis的复制和持久化机制。通过配置主从复制，确保数据在多个节点之间同步；同时，启用AOF（Append - Only File）或RDB（Redis Database）持久化，防止数据丢失。

业务原子性

在获取锁之后，对商品库存的操作必须是原子性的。可以使用Redis的事务（multi 和 exec）来确保多个操作要么全部成功，要么全部失败。例如：

def deduct_stock(stock_key, amount):
    pipe = redis_client.pipeline()
    pipe.watch(stock_key)
    stock = int(pipe.get(stock_key))
    if stock >= amount:
        pipe.multi()
        pipe.decrby(stock_key, amount)
        pipe.execute()
        return True
    pipe.unwatch()
    return False

在上述代码中，先使用 watch 监控库存键，然后获取库存并检查是否足够，若足够则使用事务减少库存。

通过以上方案，可以在高并发的电商秒杀系统中，有效地实现分布式锁，处理锁的过期时间与业务执行时间的关系，同时保障分布式环境下的集群一致性和业务逻辑的正确性。