面试题：从Redis底层原理剖析SETNX与EXPIRE组合实现分布式锁性能瓶颈的根源

Question

从Redis的单线程模型、数据结构以及网络通信等底层原理出发，深入分析SETNX与EXPIRE组合实现分布式锁产生性能瓶颈的根本原因，并探讨如何从Redis本身的设计层面来避免这些问题。

Answer 1

SETNX 与 EXPIRE 组合实现分布式锁产生性能瓶颈的根本原因

1. 单线程模型角度
   • 操作非原子性：SETNX 用于尝试设置锁，如果键不存在则设置成功返回 1，否则返回 0。而 EXPIRE 用于给设置的锁键设置过期时间，防止死锁。在 Redis 单线程模型下，这两个操作不是原子的。例如，在高并发场景中，一个客户端执行 SETNX 成功获得锁，但还未来得及执行 EXPIRE 时，进程崩溃，这个锁就会一直存在，导致其他客户端无法获取锁，造成性能瓶颈。
   • 顺序执行开销：虽然 Redis 是单线程按顺序处理命令，但多个客户端竞争锁时，SETNX 和 EXPIRE 这两个命令的顺序执行会增加额外的时间开销。因为每个客户端都需要等待前一个客户端执行完这两个命令，才能开始自己的尝试获取锁操作，这在高并发下会显著降低系统的吞吐量。
2. 数据结构角度
   • 简单字符串结构限制：Redis 中锁通常以简单字符串类型存储。SETNX 只是基于简单的键值对存在性判断来设置锁，没有针对锁的复杂操作优化。当需要处理更复杂的锁逻辑（如锁续约、公平锁等）时，简单的字符串结构无法高效支持，可能需要额外的操作来模拟这些功能，从而增加性能开销。
3. 网络通信角度
   • 多次往返开销：SETNX 和 EXPIRE 是两个独立的命令，在网络通信中，客户端需要与 Redis 服务器进行两次往返通信。在高并发且网络延迟较高的情况下，这种多次往返会极大地增加获取锁的时间，降低系统的响应速度，成为性能瓶颈。

从 Redis 本身设计层面避免这些问题的方法

1. 使用 SET 命令的原子操作
   • Redis 2.6.12 版本后，SET 命令增加了可选参数，可以通过 SET key value NX EX seconds 这样的方式，将 SETNX 和 EXPIRE 合并为一个原子操作。这样既避免了操作非原子性带来的问题，又减少了网络往返次数，提高了获取锁的效率。
2. 引入 Lua 脚本
   • 复杂锁逻辑封装：可以将锁的获取、释放以及续约等复杂逻辑封装在 Lua 脚本中。因为 Redis 执行 Lua 脚本是原子的，这样可以在保证操作原子性的同时，减少命令的多次执行开销。例如，对于锁续约逻辑，可以在 Lua 脚本中判断锁的持有者是否是当前客户端，然后再进行续约操作，避免了多命令执行可能产生的竞争问题。
   • 减少网络通信：客户端只需一次将 Lua 脚本发送到 Redis 服务器执行，而不是多次发送不同的命令，减少了网络往返次数，提高了性能。
3. 数据结构优化
   • 使用 Redisson 等框架优化结构：Redisson 是一个基于 Redis 实现的分布式协调框架，它在 Redis 简单数据结构基础上进行了封装和优化。例如，Redisson 使用 Hash 数据结构来存储锁的相关信息，不仅可以存储锁的状态，还可以存储锁持有者的标识、锁的过期时间等更多元信息，支持更复杂的锁逻辑，如公平锁、读写锁等，提升了分布式锁在复杂场景下的性能。