分布式锁
程序员文章站
2022-07-05 11:46:08
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什么是分布式？
分布式的 CAP 理论告诉我们: 任何一个分布式系统都无法同时满足一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分区容错性（Partition tolerance），最多只能同时满足两项。
在许多的场景中，我们为了保证数据的最终一致性，需要很多的技术方案来支持，比如分布式事务、分布式锁等。很多时候我们需要保证一个方法在同一时间内只能被同一个线程执行。在单机环境中，通过 Java 提供的并发 API 我们可以解决，但是在分布式环境下，就没有那么简单啦。
- 分布式与单机情况下最大的不同在于其不是多线程而是
多进程。 - 多线程由于可以共享堆内存，因此可以简单的采取内存作为标记存储位置。而进程之间甚至可能都不在同一台物理机上，因此需要将标记存储在一个所有进程都能看到的地方。
- 当在分布式模型下，数据只有一份（或有限制），此时需要利用锁的技术控制某一时刻修改数据的进程数。
- 与单机模式下的锁不仅需要保证进程可见，还需要考虑进程与锁之间的网络问题。（我觉得分布式情况下之所以问题变得复杂，主要就是需要考虑到网络的延时和不可靠。。。一个大坑）
- 分布式锁还是可以将标记存在内存，只是该内存不是某个进程分配的内存而是公共内存如 Redis、Memcache。至于利用数据库、文件等做锁与单机的实现是一样的，只要保证标记能互斥就行。
基于数据库做分布式锁
基于乐观锁：基于表主键唯一做分布式锁
思路：利用主键唯一的特性，如果有多个请求同时提交到数据库的话，数据库会保证只有一个操作可以成功，那么我们就可以认为操作成功的那个线程获得了该方法的锁，当方法执行完毕之后，想要释放锁的话，删除这条数据库记录即可。
上面这种简单的实现有以下几个问题：
- 这把锁强依赖数据库的可用性，数据库是一个单点，一旦数据库挂掉，会导致业务系统不可用。
- 这把锁没有失效时间，一旦解锁操作失败，就会导致锁记录一直在数据库中，其他线程无法再获得到锁。
- 这把锁只能是非阻塞的，因为数据的 insert操作，一旦插入失败就会直接报错。没有获得锁的线程并不会进入排队队列，要想再次获得锁就要再次触发获得锁操作。
- 这把锁是非重入的，同一个线程在没有释放锁之前无法再次获得该锁。因为数据中数据已经存在了。
- 这把锁是非公平锁，所有等待锁的线程凭运气去争夺锁。
- 在 MySQL 数据库中采用主键冲突防重，在大并发情况下有可能会造成锁表现象。
基于悲观锁：在查询语句后面增加for update，数据库会在查询过程中给数据库表增加排他锁 (注意： InnoDB 引擎在加锁的时候，只有通过索引进行检索的时候才会使用行级锁，否则会使用表级锁。这里我们希望使用行级锁，就要给要执行的方法字段名添加索引，值得注意的是，这个索引一定要创建成唯一索引，否则会出现多个重载方法之间无法同时被访问的问题。重载方法的话建议把参数类型也加上。)。当某条记录被加上排他锁之后，其他线程无法再在该行记录上增加排他锁。
我们可以认为获得排他锁的线程即可获得分布式锁，当获取到锁之后，可以执行方法的业务逻辑，执行完方法之后，通过connection.commit()操作来释放锁。
这里还可能存在另外一个问题，虽然我们对方法字段名使用了唯一索引，并且显示使用 for update 来使用行级锁。但是，MySQL 会对查询进行优化，即便在条件中使用了索引字段，但是否使用索引来检索数据是由 MySQL 通过判断不同执行计划的代价来决定的，如果 MySQL 认为全表扫效率更高，比如对一些很小的表，它就不会使用索引，这种情况下 InnoDB 将使用表锁，而不是行锁。如果发生这种情况就悲剧了。。。
还有一个问题，就是我们要使用排他锁来进行分布式锁的 lock，那么一个排他锁长时间不提交，就会占用数据库连接。一旦类似的连接变得多了，就可能把数据库连接池撑爆。
基于 Redis 做分布式锁
基于 REDIS 的 SETNX()、EXPIRE() 方法做分布式锁
setnx()
setnx 的含义就是 SET if Not Exists，其主要有两个参数 setnx(key, value)。该方法是原子的，如果 key 不存在，则设置当前 key 成功，返回 1；如果当前 key 已经存在，则设置当前 key 失败，返回 0。
expire()
expire 设置过期时间，要注意的是 setnx 命令不能设置 key 的超时时间，只能通过 expire() 来对 key 设置。
使用步骤
- 1、setnx(lockkey, 1) 如果返回 0，则说明占位失败；如果返回 1，则说明占位成功
- 2、expire() 命令对 lockkey 设置超时时间，为的是避免死锁问题。
- 3、执行完业务代码后，可以通过 delete 命令删除 key。
这个方案其实是可以解决日常工作中的需求的，但从技术方案的探讨上来说，可能还有一些可以完善的地方。比如，如果在第一步 setnx 执行成功后，在 expire() 命令执行成功前，发生了宕机的现象，那么就依然会出现死锁的问题，所以如果要对其进行完善的话，可以使用 redis 的 setnx()、get() 和 getset() 方法来实现分布式锁。
基于 REDIS 的 SETNX()、GET()、GETSET()方法做分布式锁
这个方案的背景主要是在 setnx() 和 expire() 的方案上针对可能存在的死锁问题，做了一些优化。
getset()
这个命令主要有两个参数 getset(key，newValue)。该方法是原子的，对 key 设置 newValue 这个值，并且返回 key 原来的旧值。假设 key 原来是不存在的，那么多次执行这个命令，会出现下边的效果：
- getset(key, “value1”) 返回 null 此时 key 的值会被设置为 value1
- getset(key, “value2”) 返回 value1 此时 key 的值会被设置为 value2
- 依次类推！
使用步骤
- setnx(lockkey, 当前时间+过期超时时间)，如果返回 1，则获取锁成功；如果返回 0 则没有获取到锁，转向 2。
- get(lockkey) 获取值 oldExpireTime ，并将这个 value 值与当前的系统时间进行比较，如果小于当前系统时间，则认为这个锁已经超时，可以允许别的请求重新获取，转向 3。
- 计算 newExpireTime = 当前时间+过期超时时间，然后 getset(lockkey, newExpireTime) 会返回当前 lockkey 的值currentExpireTime。
- 判断 currentExpireTime 与 oldExpireTime 是否相等，如果相等，说明当前 getset 设置成功，获取到了锁。如果不相等，说明这个锁又被别的请求获取走了，那么当前请求可以直接返回失败，或者继续重试。
- 在获取到锁之后，当前线程可以开始自己的业务处理，当处理完毕后，比较自己的处理时间和对于锁设置的超时时间，如果小于锁设置的超时时间，则直接执行 delete 释放锁；如果大于锁设置的超时时间，则不需要再锁进行处理。
//redis分布式锁
public final class RedisLockUtil {
private static final int defaultExpire = 60;
private RedisLockUtil() {
//
}
public static boolean lock(String key, int expire) {
RedisService redisService = SpringUtils.getBean(RedisService.class);
long status = redisService.setnx(key, "1");
if(status == 1) {
redisService.expire(key, expire);
return true;
}
return false;
}
public static boolean lock(String key) {
return lock2(key, defaultExpire);
}
public static boolean lock2(String key, int expire) {
RedisService redisService = SpringUtils.getBean(RedisService.class);
long value = System.currentTimeMillis() + expire;
long status = redisService.setnx(key, String.valueOf(value));
if(status == 1) {
return true;
}
long oldExpireTime = Long.parseLong(redisService.get(key, "0"));
if(oldExpireTime < System.currentTimeMillis()) {
//超时
long newExpireTime = System.currentTimeMillis() + expire;
long currentExpireTime = Long.parseLong(redisService.getSet(key, String.valueOf(newExpireTime)));
if(currentExpireTime == oldExpireTime) {
return true;
}
}
return false;
}
public static void unLock1(String key) {
RedisService redisService = SpringUtils.getBean(RedisService.class);
redisService.del(key);
}
public static void unLock2(String key) {
RedisService redisService = SpringUtils.getBean(RedisService.class);
long oldExpireTime = Long.parseLong(redisService.get(key, "0"));
if(oldExpireTime > System.currentTimeMillis()) {
redisService.del(key);
}
}
}基于 ZooKeeper 做分布式锁
ZOOKEEPER 锁相关基础知识
- zk 一般由多个节点构成（单数），采用 zab 一致性协议。因此可以将 zk 看成一个单点结构，对其修改数据其内部自动将所有节点数据进行修改而后才提供查询服务。
- zk 的数据以目录树的形式，每个目录称为 znode， znode 中可存储数据（一般不超过 1M），还可以在其中增加子节点。
- 子节点有三种类型。序列化节点，每在该节点下增加一个节点自动给该节点的名称上自增。临时节点，一旦创建这个 znode 的客户端与服务器失去联系，这个 znode 也将自动删除。最后就是普通节点。
- Watch 机制，client 可以监控每个节点的变化，当产生变化会给 client 产生一个事件。
ZK 排他锁
- 原理：利用临时节点与 watch 机制。每个锁占用一个普通节点 /lock，当需要获取锁时在 /lock 目录下创建一个临时节点，创建成功则表示获取锁成功，失败则 watch/lock 节点，有删除操作后再去争锁。临时节点好处在于当进程挂掉后能自动上锁的节点自动删除即取消锁。
- 缺点：所有取锁失败的进程都监听父节点，很容易发生羊群效应，即当释放锁后所有等待进程一起来创建节点，并发量很大。
ZK 共享锁
- 原理：上锁改为创建临时有序节点，每个上锁的节点均能创建节点成功，只是其序号不同。只有序号最小的可以拥有锁，如果这个节点序号不是最小的则 watch 序号比本身小的前一个节点 (公平锁)。
步骤：
- 1.在 /lock 节点下创建一个有序临时节点 (EPHEMERAL_SEQUENTIAL)。
- 2.判断创建的节点序号是否最小，如果是最小则获取锁成功。不是则取锁失败，然后 watch 序号比本身小的前一个节点。
- 3.当取锁失败，设置 watch 后则等待 watch 事件到来后，再次判断是否序号最小。
- 4.取锁成功则执行代码，最后释放锁（删除该节点）。
优缺点
优点：
有效的解决单点问题，不可重入问题，非阻塞问题以及锁无法释放的问题。实现起来较为简单。
缺点：
性能上可能并没有缓存服务那么高，因为每次在创建锁和释放锁的过程中，都要动态创建、销毁临时节点来实现锁功能。ZK 中创建和删除节点只能通过 Leader 服务器来执行，然后将数据同步到所有的 Follower 机器上。还需要对 ZK的原理有所了解。
import java.io.IOException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import org.apache.zookeeper.CreateMode;
import org.apache.zookeeper.KeeperException;
import org.apache.zookeeper.WatchedEvent;
import org.apache.zookeeper.Watcher;
import org.apache.zookeeper.ZooDefs;
import org.apache.zookeeper.ZooKeeper;
import org.apache.zookeeper.data.Stat;
public class DistributedLock implements Lock, Watcher{
private ZooKeeper zk;
private String root = "/locks";//根
private String lockName;//竞争资源的标志
private String waitNode;//等待前一个锁
private String myZnode;//当前锁
private CountDownLatch latch;//计数器
private int sessionTimeout = 30000;
private List<Exception> exception = new ArrayList<Exception>();
/**
* 创建分布式锁,使用前请确认config配置的zookeeper服务可用
* @param config 127.0.0.1:2181
* @param lockName 竞争资源标志,lockName中不能包含单词lock
*/
public DistributedLock(String config, String lockName){
this.lockName = lockName;
// 创建一个与服务器的连接
try {
zk = new ZooKeeper(config, sessionTimeout, this);
Stat stat = zk.exists(root, false);
if(stat == null){
// 创建根节点
zk.create(root, new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.PERSISTENT);
}
} catch (IOException e) {
exception.add(e);
} catch (KeeperException e) {
exception.add(e);
} catch (InterruptedException e) {
exception.add(e);
}
}
/**
* zookeeper节点的监视器
*/
public void process(WatchedEvent event) {
if(this.latch != null) {
this.latch.countDown();
}
}
public void lock() {
if(exception.size() > 0){
throw new LockException(exception.get(0));
}
try {
if(this.tryLock()){
System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getId() + " " +myZnode + " get lock true");
return;
}
else{
waitForLock(waitNode, sessionTimeout);//等待锁
}
} catch (KeeperException e) {
throw new LockException(e);
} catch (InterruptedException e) {
throw new LockException(e);
}
}
public boolean tryLock() {
try {
String splitStr = "_lock_";
if(lockName.contains(splitStr))
throw new LockException("lockName can not contains \\u000B");
//创建临时子节点
myZnode = zk.create(root + "/" + lockName + splitStr, new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
System.out.println(myZnode + " is created ");
//取出所有子节点
List<String> subNodes = zk.getChildren(root, false);
//取出所有lockName的锁
List<String> lockObjNodes = new ArrayList<String>();
for (String node : subNodes) {
String _node = node.split(splitStr)[0];
if(_node.equals(lockName)){
lockObjNodes.add(node);
}
}
Collections.sort(lockObjNodes);
System.out.println(myZnode + "==" + lockObjNodes.get(0));
if(myZnode.equals(root+"/"+lockObjNodes.get(0))){
//如果是最小的节点,则表示取得锁
return true;
}
//如果不是最小的节点，找到比自己小1的节点
String subMyZnode = myZnode.substring(myZnode.lastIndexOf("/") + 1);
waitNode = lockObjNodes.get(Collections.binarySearch(lockObjNodes, subMyZnode) - 1);
} catch (KeeperException e) {
throw new LockException(e);
} catch (InterruptedException e) {
throw new LockException(e);
}
return false;
}
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) {
try {
if(this.tryLock()){
return true;
}
return waitForLock(waitNode,time);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return false;
}
private boolean waitForLock(String lower, long waitTime) throws InterruptedException, KeeperException {
Stat stat = zk.exists(root + "/" + lower,true);
//判断比自己小一个数的节点是否存在,如果不存在则无需等待锁,同时注册监听
if(stat != null){
System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getId() + " waiting for " + root + "/" + lower);
this.latch = new CountDownLatch(1);
this.latch.await(waitTime, TimeUnit.MILLISECONDS);
this.latch = null;
}
return true;
}
public void unlock() {
try {
System.out.println("unlock " + myZnode);
zk.delete(myZnode,-1);
myZnode = null;
zk.close();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (KeeperException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
this.lock();
}
public Condition newCondition() {
return null;
}
public class LockException extends RuntimeException {
private static final long serialVersionUID = 1L;
public LockException(String e){
super(e);
}
public LockException(Exception e){
super(e);
}
}
}下一篇： 今天开始，讲讲我和java的故事与事故