缓存中间件-Redis(二)

在上一篇中我们简单总结和介绍了Redis的几个方面

1.使用Redis背景

2.Redis通信多路复用的基本原理

3.Redis基本数据结构

4.Redis持久化方式

这一篇我们使用简单的业务场景来介绍Redis的分布式锁和集群

1.分布式锁

首先我们应该知道什么是分布式锁，用来做什么的，解决了什么问题，我们应该怎么做？

简单来说，分布式锁就是锁住进程的锁，通常我们分布式锁的使用场景在多实例的集群系统中，为了防止多个进程对资源的同时操作，而引发业务逻辑错误而诞生的，和我们的单个实例中的lock作用一样，一个是针对多实例单进程，一个是针对单实例多线程，具体在web中的表现在下面用实例的方式说明。

2.单进程单实例多线程

1.例如现在我们部署了一个服务，他的功能是提供用户来抢红包的接口，我们在发红包时，总共设置了10个红包，我们将红包剩余数存入数据库，所以用一张表来存储红包的个数信息，每当有一个人来抢，我们就需要将红包的个数减掉1，主要的核心业务逻辑如下：

• 1.用户发起抢红包请求，服务器首先查询，红包剩余个数，如果为0，则直接返回，告诉用户红包抢完了

• 2.如果红包个数不为0，则提示用户抢到了红包，然后扣减红包总数。

伪代码如下

 //查询剩余红包个数
 int RedEnvelopeCount = getRedEnvelopes();
 if (RedEnvelopeCount.Count == 0)
 {
     //返回用户红包抢完了 do something
     return;
 }
 //通知用户抢到了 do something
 //扣减红包个数
 subtracRedEnvelopeCount();

2.此时如果同一时间多个并发请求进来，我们就会发生多个线程同时执行这段核心逻辑，导致业务错误

• 1.发生超抢,抢到的人大于实际个数，谁抢到的不算？

• 2.发生少抢，几个人同时抢到同一个，算谁的？

我相信这2种情况，要是在真实的抢红包中，发生到谁头上，都不爽吧？按东哥的话说我都气的想打人

所以我们要着手解决，解决的思路就是，核心业务的代码同一时刻只能被一个线程执行，所以为了保证原子性，我们就需要使用到锁来锁住核心业务代码，在这里我们使用C#的Lock来实现

//静态全局唯一
private readonly static object _lock = new object();
using (_lock)
{
    int RedEnvelopeCount = getRedEnvelopes();
    if (RedEnvelopeCount.Count == 0)
    {
        //返回用户红包抢完了
        return;
    }
    //通知用户抢到了
    //扣减红包个数
    subtracRedEnvelopeCount();
}

3.单进程多实例多线程

上面我们列举并介绍了在单个实例中遇到并发产生的业务问题，我们通过锁的方式来暂时解决了问题，那么接下来我们继续思考，如果红包再多一点，抢的并发量起来了，单台服务器不能承载这么多并发，为了保证高可用，我们需要将红包服务，进行集群部署，利用nginx来负载均衡一下。

1.在单个实例中我们为了保证业务执行的原子性，锁住了核心业务代码，保证同一时刻只有一个线程执行，但是现在多个实例来处理请求，假设现在2个用户提交抢红包的请求，在同一时刻被服务器负载均衡到2台不同的实例，那么此时就会遇到2个进程同时操作核心业务逻辑，超抢和少抢的事情又会发生，瞬间头又大了，那么针对这种业务情况，我们应该使用分布式锁来解决不同进程之间争夺资源的情况。

2.接下来就是我们最后一个问题，如何实现分布式锁，其实对于集群系统实现分布式锁的方式有很多种，基于Zookeeper,Redis，包括数据库，等都可以实现，相较于Zookeeper和数据库 ,Redis单线程对于实现分布式锁拥有天生绝对的优势，而且它操作内存的方式就性能而言是非常优秀的，鉴于咱们这篇博客主要是跟Redis相关的，所以主要介绍使用Redis的方式，当然基于Redis中也存在不同的做法。

3.实现锁的核心业务就是加锁``释放锁这2个功能，我们根据Redis内部单线程执行的原理自己来初步实现一个

 //设置key，加锁 防止死锁超时，设置60毫秒自动过期
 bool result = database.StringSet("distributed-lock", "lock", expiry: TimeSpan.FromSeconds(60));
 //失败说明锁已经被获取，直接返回
 if (!result)
 {
     // "人有点多，再点点...";
     return;
 }
 //获取剩余个数
 int RedEnvelopeCount = getRedEnvelopes();
 if (RedEnvelopeCount.Count == 0)
 {
     //返回用户红包抢完了
     return;
 }
 //通知用户抢到了
 //扣减红包个数
 subtracRedEnvelopeCount();
 //释放锁
database.KeyDelete("distributed-lock");

上面实现了最简单和最基础的分布式锁，但是还存在缺陷，仔细思考不难发现

• 1.执行业务的时间大于持有锁的最大时间，导致锁释放，业务还没执行完，乱了那也玩不了

• 2.获取锁后执行到业务代码时抛异常了，锁没及时释放，而是等待自动释放，所以需要加异常处理

我们根据这2个缺陷来进一步完善,解决上面的问题，首先需要先保证执行业务的情况下，谁加的锁由谁来释放,然后添加异常处理代码用于处理业务异常能及时释放锁

//获取Guid作为当前请求唯一身份信息
string value = Guid.NewGuid().ToString("N");

//设置key，加锁，防止死锁超时，设置60毫秒自动过期
bool result = database.StringSet("distributed-lock", value, expiry: TimeSpan.FromSeconds(60));

//失败说明锁已经被获取，直接返回
if (!result) return;  // "人有点多，再点点...";

try
{
    int RedEnvelopeCount = getRedEnvelopes(); //获取剩余个数
    if (RedEnvelopeCount.Count == 0)return; //返回用户红包抢完了

    //通知用户抢到了
    //扣减红包个数
    subtracRedEnvelopeCount();
}
finally
{
    //保证由当前请求释放，不会别的进来释放导致乱套
    if (value.Equals(database.StringGet("distributed-lock")))
    {
        //释放锁
        bool isDelete = database.KeyDelete("distributed-lock");
    }
}

4.最后我们使用StackExchange.Redis提供的方法来实现封装一个分布式锁，首先扩展IServiceCollection 将StackExchange.Redis 操作实例注入

//扩展连接客户端
public static class RedisServiceCollectionExtensions
{
    public static IServiceCollection AddRedisCache(this IServiceCollection services, string connectionString)
    {
        ConfigurationOptions configuration = ConfigurationOptions.Parse(connectionString);
        ConnectionMultiplexer connectionMultiplexer = ConnectionMultiplexer.Connect(connectionString);
        services.AddSingleton(connectionMultiplexer);
        return services;
    }
}
//注入容器
services.AddRedisCache("127.0.0.1:6379,password=xxx,connectTimeout=2000");

5.具体利用LockTake通过轮训询问的方式获取锁，通过LockRelease释放锁，在实现的源码中，加锁的原理就是设置一个string类型的key value以及过期时间

public class DistributedLock
{
    private readonly ConnectionMultiplexer _connectionMultiplexer;
    private IDatabase db = null;
    public DistributedLock(ConnectionMultiplexer connectionMultiplexer)
    {
       _connectionMultiplexer = connectionMultiplexer;
       db = connectionMultiplexer.GetDatabase(0);
    }

    private void FetchLock()
    {
      while (true)
       {
          //当前锁的持有时间超过60毫秒就会被释放，这个时间应该设置比被锁住业务执行时间长
          bool flag = db.LockTake("distributed-lock", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, TimeSpan.FromSeconds(60));
          if (flag)  // 1、如果加锁成功直接退出，否则继续获取锁
          {
             break;
          }
           Thread.Sleep(10); // 防止死循环。通过等待10毫秒时间，释放资源
       }
   }

  public void UnLock()
  {
     bool flag = db.LockRelease("distributed-lock", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
     _connectionMultiplexer.Close();
  }

}

6.基于Redis实现的分布式锁，在Redis主从或者哨兵乃至集群中，会存在锁丢失的情况，具体就是当请求给Master节点写入锁后，Master节点宕机，此时主从还没来得及同步，但此时已经选择了一个Slaver为主节点，而最开始的设置的锁不见了，针对这种情况比较极端，可以利用Zookeeper来实现分布式锁作为解决方案，因为在数据一致性上Zookeeper是优于Redis的，当然Redis的性能也是较Zookeeper更为突出一些。

4.Redis容灾高可用

就服务实例而言，单个服务实例保证容灾和高可用基本很难，因为一个实例随时都有宕机的风险，所以引入了集群的概念，通过多个服务实例，来共同保证系统提供稳定的服务，其实在Redis中也一样，也有保证容灾和高可用的方案，在一定程度上，实现的方案在大的策略层面思路都差不多，只是具体实现的方式不同罢了，至于最终选择保证数据信息层面的高可用，还是性能资源层面的高可用，需要用户去根据自己业务来分析，选择使用哪一种方案。

在Redis中，有3种方式来实现高可用的方案，分别是

• 1.主从模式 （Master Slaver）

• 2.哨兵模式 (Sentinel)

• 3.数据分片 (Cluster)

1.主从模式和哨兵

主从模式是Redis提供高可用的第一种方案，理解起来也比较简单，一个主节点多个从节点，主节点负责写入，然后会把数据同步到从节点，从节点负责读取，但是会存在不可避免的缺陷

• 1.如果宕机，它不具备自动容错和恢复功能，需要手动切换从节点为主节点。

• 2.宕机导致数据未及时同步，降低可用性

• 3.所有节点数据一样，内存浪费，并且在线扩容复杂，伸缩性差，海量数据存储无法解决。

• 4.高并发主节点写入数据压力极大。

哨兵模式是Redis提供的第二种方案，可以说是第一种主从方案的完善版本，因为它在主从的基础上，增加了监控功能，主节点宕机后提供哨兵自动选举master并将其他的slave指向新的master，哨兵是一个独立运行的进程，它的实现原理是哨兵进程向所有的redis机器发送心跳消息，从而监控运行状况,同样由于是基于主从而诞生，那么也存在主从中的一些缺陷。

2.集群分片模式

1.集群和分片基本概念

前面2种方案归根结底，就是使用主从复制和读写分离的方式保证高可用，但是内存占用，主节点压力过大，相较于Redis提供的第三种集群和数据分片的方案，存在的缺陷也非常明显,下面我们介绍集群和数据分片。

1.集群和数据分片简单理解就是将主从复制的核心策略，做了集群来横向扩展，包含多个主从节点，采用去中心化思想，数据按照 slot 存储分布在多个节点，并且节点间数据共享，可动态调整数据分布，

2.在集群中每一个节点都是互相通信采用 Gossip 病毒协议，在一个节点写入的数据，其他任何节点都会查询到。

2.集群内部数据存取原理

1.Slot 槽，存储数据的容器,总共16384个Slot ,采用平均分配，并且只有主节点才能被分配

2.Hash算法用于对数据进行计算，得到一个Hash值，然后对16384取模选择存到哪个区间的Slot

3.Windows下集群搭建

1.我们部署集群使用redis-trib.rb，首先下载环境 提取码1234

2.安装需要用到Ruby语言运行环境，然后进入安装目录Ruby22-x64中，通过gem命令安装文件

gem install –-local youFloder\redis-3.2.2.gem

3.准备Redis服务实例，此处准备6个实例，并配置Redis配置文件，然后启动每一个服务实例

redis-server redis-6380.conf
redis-server redis-6381.conf
....
....

port 6380 #节点端口
bind 127.0.0.1   #节点主机ip
appendonly yes 开启aof
appendfilename "appendonly.6380.aof"
cluster-enabled yes
cluster-config-file nodes.6380.conf
cluster-node-timeout 15000
cluster-slave-validity-factor 10
cluster-migration-barrier 1
cluster-require-full-coverage yes

3.进入到redis-trib.rb目录打开命令窗口，进行搭建集群

ruby redis-trib.rb create -–replicas 1 127.0.0.1:6380 127.0.0.1:6381 127.0.0.1:6382 127.0.0.1:6383 127.0.0.1:6384 127.0.0.1:6385

4.检查集群状态,出现图片中的提示代表搭建成功

ruby redis-trib.rb check 127.0.0.1:6380