分布式锁探讨

一、分布式锁背景

a、什么是锁？

从使用场景定义：当存在多个线程可以同时改变某个变量时，就需要对变量或代码块做同步，使其在修改这种变量时能够线性执行消除并发修改变量。

锁的实现方式有多种，只要能满足所有线程都能看得到这个锁标记即可。

java中常见的锁：
synchronized
reentrantlock
reentrantreadwritelock

b、什么是分布式？

定义：分布式系统一定是由多个节点（计算机服务器）组成的系统，这些互通的节点上部署了各个服务，并且操作需要协同。

分布式系统对于终端用户而言，他们面对的就好像是一个服务器，提供用户需要的服务而已。

什么是cap？

定义：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。

因为单个服务器偶尔宕机不可避免（或者因为停电或者自然灾害导致单机房不可用），网络状况不稳定，时而会有网络抖动，时而延时比较高，所以必须满足p，所以一般会出现ap系统和cp系统。

c、a+b==》什么是分布式锁？

定义：在分布式环境下，一个共享的可见的公共资源，各个线程通过对这个公共资源的抢占，能够使得一个代码块在同一时间只能被一个机器的一个线程执行，那这个公共资源就是分布式锁，或者说这整个机制就是分布式锁。

或者从使用场景定义：分布式锁主要用于在分布式环境中保护跨进程、跨主机、跨网络的共享资源实现互斥访问，以达到保证数据的一致性

二、分布式锁实现方式

 锁的实现方式有多种，只要能满足所有线程都能看得到这个锁标记即可。

常见的方式是使用数据库、缓存或者zookeeper来实现分布式锁，除了这些，其实一个网络中的共享可见的可读写的资源就可以用作实现锁。

锁的操作主要有两个，即lock和unlock。

a、数据库

我们可以利用数据库的特性，lock即插入一条数据到数据库，unlock即删除该条数据。直接看图

1、建mysql表，lock_name上建立唯一性索引；

2、server1开始获取分布式锁"aaa"；

3、server1调用lock("aaa")，数据库中没有"aaa"，插入"aaa"成功，server1成功获得分布式锁"aaa"；

4、server2调用lock("aaa")，插入"aaa"失败，获取锁失败；

5、server1调用unlock("aaa")，删除数据行"aaa"；

6、server2调用lock("aaa")，插入"aaa"成功，获取锁成功；

 

熟悉java锁的同学发现问题了，这个锁也太简陋了，锁都不阻塞的。

好，我们严格地来讨论下锁的特性，

首先，我们罗列下锁的特性，我能想到的有以下这些，欢迎留言补充：

分布式锁的需求
1、在分布式环境下，一个代码块在同一时间只能被一个机器的一个线程执行
2、高可用地获取锁和释放锁
3、高性能的获取锁和释放锁
4、具备锁失效机制，防止死锁
5、是否可重入
6、是否非阻塞
7、自旋锁
8、乐观锁/悲观锁
9、是否公平
10、独享锁/共享锁
11、分段锁

 刚才提到的问题，锁最基本的应该具有阻塞特性，我们修正一下，如下图

在插入数据失败后，我们通过不断地重试来达到阻塞的特性。

 下面我们来逐条讨论下以上提到的特性：

分布式锁的需求
1、在分布式环境下，一个代码块在同一时间只能被一个机器的一个线程执行

基本的，所有的锁都应该满足
2、高可用地获取锁和释放锁                                                                                 

可用性受数据库单点限制，如果要提高可用性，使用主备库，通过数据同步主备切换达到在主库宕机时的高可用
3、高性能的获取锁和释放锁 数据库读写性能

锁的获取和释放就是数据库的插入和删除，性能因具体数据库不同而不同，表的行数的规模大小也影响着性能，性能还受网络的影响，在笔者的网络中插入大概耗时约80ms
4、具备锁失效机制，防止死锁

如果节点在获取锁之后释放锁之前宕机，会发生死锁。可以在表中加入时间字段，用一个定时任务，定期地清理时间过期的锁，但是这个过期时间的大小值得探讨，很深入地探讨。
5、是否可重入

如果想获得类似reentrantlock的特性，可以在表中写入线程的信息（ip地址+进程号+线程号），可以先查询，如果是线程自己拥有的锁，直接返回成功并计数count
6、是否非阻塞

如果要获得阻塞特性，通过不断自旋重试
7、自旋锁

同上
8、乐观锁/悲观锁

分布式锁就是悲观锁。如果不想用分布式锁，对数据不上锁，在表中加入列version，通过cas版本号来控制并发写
9、是否公平

首先解释下公平锁：公平锁即是根据lock()的时间顺序，先到先得，即fifo，这个是常见的规则。

单机情况下非公平锁的好处：公平锁忽略了线程之间切换以及线程内核态和用户态转换的耗时，其实可以利用线程切换的间隙，让其它正在被调度执行的线程插队去获取锁，然后释放锁，还给等待线程。这样不耽误事的前提下，提高了锁的性能。请自行去了解下非公平锁。

言归正传，如果需要实现公平锁，设计一张排队表，让lock()的线程首先在排队表中排队，当发现自身排在队头才有资格去真正获取锁。当然引入复杂性，必然会导致其它问题，兵来将挡，水来土掩。
10、独享锁/共享锁

以上的分布式锁，是定义的一把独享锁（独占锁、互斥锁、排它锁）。

reentrantlock就是一种排它锁。countdownlatch是一种共享锁。这两类都是单纯的一类，即，要么是排它锁，要么是共享锁。
reentrantreadwritelock是同时包含排它锁和共享锁特性的一种锁，这里主要以reentrantreadwritelock为例来进行分析学习。

如果要实现共享锁，锁类型+排队表

 

 

e、结论

分布式锁可以根据业务需要，量身定制。 

 

三、存在的问题