分析3種分布式鎖的設(shè)計與實現(xiàn)

多線程情況下對共享資源的操作需要加鎖，避免數(shù)據(jù)被寫亂，在分布式系統(tǒng)中，這個問題也是存在的，此時就需要一個分布式鎖服務(wù)。常見的分布式鎖實現(xiàn)一般是基于DB、Redis、zookeeper。下面筆者會按照順序分析下這3種分布式鎖的設(shè)計與實現(xiàn)，想直接看分布式鎖總結(jié)的小伙伴可直接翻到文檔末尾處。

分布式鎖的實現(xiàn)由多種方式，但是不管怎樣，分布式鎖一般要有以下特點：

排他性：任意時刻，只能有一個client能獲取到鎖

容錯性：分布式鎖服務(wù)一般要滿足AP，也就是說，只要分布式鎖服務(wù)集群節(jié)點大部分存活，client就可以進行加鎖解鎖操作

避免死鎖：分布式鎖一定能得到釋放，即使client在釋放之前崩潰或者網(wǎng)絡(luò)不可達

除了以上特點之外，分布式鎖最好也能滿足可重入、高性能、阻塞鎖特性（AQS這種，能夠及時從阻塞狀態(tài)喚醒）等，下面就話不多說，趕緊上（開往分布式鎖的設(shè)計與實現(xiàn)的）車~

DB鎖

在數(shù)據(jù)庫新建一張表用于控制并發(fā)控制，表結(jié)構(gòu)可以如下所示：

CREATETABLE`lock_table`(`id`int(11)unsignedNOTNULLCOMMENT'主鍵',`key_id`bigint(20)NOTNULLCOMMENT'分布式key',`memo`varchar(43)NOTNULLDEFAULT''COMMENT'可記錄操作內(nèi)容',`update_time`datetimeNOTNULLCOMMENT'更新時間',PRIMARYKEY(`id`,`key_id`),UNIQUEKEY`key_id`(`key_id`)USINGBTREE)ENGINE=InnoDBDEFAULTCHARSET=utf8;

key_id作為分布式key用來并發(fā)控制，memo可用來記錄一些操作內(nèi)容（比如memo可用來支持重入特性，標(biāo)記下當(dāng)前加鎖的client和加鎖次數(shù)）。將key_id設(shè)置為唯一索引，保證了針對同一個key_id只有一個加鎖（數(shù)據(jù)插入）能成功。此時lock和unlock偽代碼如下：

deflock：execsql:insertintolock_table(key_id,memo,update_time)values(key_id,memo,NOW())ifresult==true:returntrueelse:returnfalsedefunlock：execsql:deletefromlock_tablewherekey_id='key_id'andmemo='memo'

注意，偽代碼中的lock操作是非阻塞鎖，也就是tryLock，如果想實現(xiàn)阻塞（或者阻塞超時）加鎖，只修反復(fù)執(zhí)行l(wèi)ock偽代碼直到加鎖成功為止即可。基于DB的分布式鎖其實有一個問題，那就是如果加鎖成功后，client端宕機或者由于網(wǎng)絡(luò)原因?qū)е聸]有解鎖，那么其他client就無法對該key_id進行加鎖并且無法釋放了。為了能夠讓鎖失效，需要在應(yīng)用層加上定時任務(wù)，去刪除過期還未解鎖的記錄，比如刪除2分鐘前未解鎖的偽代碼如下：

defclear_timeout_lock:execsql:deletefromlock_tablewhereupdate_time

因為單實例DB的TPS一般為幾百，所以基于DB的分布式性能上限一般也是1k以下，一般在并發(fā)量不大的場景下該分布式鎖是滿足需求的，不會出現(xiàn)性能問題。不過DB作為分布式鎖服務(wù)需要考慮單點問題，對于分布式系統(tǒng)來說是不允許出現(xiàn)單點的，一般通過數(shù)據(jù)庫的同步復(fù)制，以及使用vip切換Master就能解決這個問題。

以上DB分布式鎖是通過insert來實現(xiàn)的，如果加鎖的數(shù)據(jù)已經(jīng)在數(shù)據(jù)庫中存在，那么用select xxx where key_id = xxx for udpate方式來做也是可以的。

Redis鎖

Redis鎖是通過以下命令對資源進行加鎖：

setkey_idkey_valueNXPXexpireTime

其中，set nx命令只會在key不存在時給key進行賦值，px用來設(shè)置key過期時間，key_value一般是隨機值，用來保證釋放鎖的安全性（釋放時會判斷是否是之前設(shè)置過的隨機值，只有是才釋放鎖）。由于資源設(shè)置了過期時間，一定時間后鎖會自動釋放。

set nx保證并發(fā)加鎖時只有一個client能設(shè)置成功（Redis內(nèi)部是單線程，并且數(shù)據(jù)存在內(nèi)存中，也就是說redis內(nèi)部執(zhí)行命令是不會有多線程同步問題的），此時的lock/unlock偽代碼如下：

deflock:if(redis.call('set',KEYS[1],ARGV[1],'ex',ARGV[2],'nx'))thenreturntrueendreturnfalsedefunlock:if(redis.call('get',KEYS[1])==ARGV[1])thenredis.call('del',KEYS[1])returntrueendreturnfalse

分布式鎖服務(wù)中的一個問題

如果一個獲取到鎖的client因為某種原因?qū)е聸]能及時釋放鎖，并且redis因為超時釋放了鎖，另外一個client獲取到了鎖，此時情況如下圖所示：

那么如何解決這個問題呢，一種方案是引入鎖續(xù)約機制，也就是獲取鎖之后，釋放鎖之前，會定時進行鎖續(xù)約，比如以鎖超時時間的1/3為間隔周期進行鎖續(xù)約。

關(guān)于開源的redis的分布式鎖實現(xiàn)有很多，比較出名的有redisson、百度的dlock，關(guān)于分布式鎖，筆者也寫了一個簡易版的分布式鎖redis-lock，主要是增加了鎖續(xù)約和可同時針對多個key加鎖的機制。

對于高可用性，一般可以通過集群或者master-slave來解決，redis鎖優(yōu)勢是性能出色，劣勢就是由于數(shù)據(jù)在內(nèi)存中，一旦緩存服務(wù)宕機，鎖數(shù)據(jù)就丟失了。像redis自帶復(fù)制功能，可以對數(shù)據(jù)可靠性有一定的保證，但是由于復(fù)制也是異步完成的，因此依然可能出現(xiàn)master節(jié)點寫入鎖數(shù)據(jù)而未同步到slave節(jié)點的時候宕機，鎖數(shù)據(jù)丟失問題。

zookeeper分布式鎖

ZooKeeper是一個高可用的分布式協(xié)調(diào)服務(wù)，由雅虎創(chuàng)建，是Google Chubby的開源實現(xiàn)。ZooKeeper提供了一項基本的服務(wù)：分布式鎖服務(wù)。zookeeper重要的3個特征是：zab協(xié)議、node存儲模型和watcher機制。通過zab協(xié)議保證數(shù)據(jù)一致性，zookeeper集群部署保證可用性，node存儲在內(nèi)存中，提高了數(shù)據(jù)操作性能，使用watcher機制，實現(xiàn)了通知機制（比如加鎖成功的client釋放鎖時可以通知到其他client）。

zookeeper node模型支持臨時節(jié)點特性，即client寫入的數(shù)據(jù)時臨時數(shù)據(jù)，當(dāng)客戶端宕機時臨時數(shù)據(jù)會被刪除，這樣就不需要給鎖增加超時釋放機制了。當(dāng)針對同一個path并發(fā)多個創(chuàng)建請求時，只有一個client能創(chuàng)建成功，這個特性用來實現(xiàn)分布式鎖。注意：如果client端沒有宕機，由于網(wǎng)絡(luò)原因?qū)е聑ookeeper服務(wù)與client心跳失敗，那么zookeeper也會把臨時數(shù)據(jù)給刪除掉的，這時如果client還在操作共享數(shù)據(jù)，是有一定風(fēng)險的。

基于zookeeper實現(xiàn)分布式鎖，相對于基于redis和DB的實現(xiàn)來說，使用上更容易，效率與穩(wěn)定性較好。curator封裝了對zookeeper的api操作，同時也封裝了一些高級特性，如：Cache事件監(jiān)聽、選舉、分布式鎖、分布式計數(shù)器、分布式Barrier等，使用curator進行分布式加鎖示例如下：

org.apache.curatorcurator-framework2.12.0 org.apache.curatorcurator-recipes2.12.0{try{lock.acquire();try{System.out.println("zookeeperacquiresuccess:"+Thread.currentThread().getName());Thread.sleep(1000);}catch(Exceptione){e.printStackTrace();}finally{lock.release();}}catch(Exceptionex){ex.printStackTrace();}};ExecutorServiceexecutor=Executors.newFixedThreadPool(10);for(inti=0;i

總結(jié)

從上面介紹的3種分布式鎖的設(shè)計與實現(xiàn)中，我們可以看出每種實現(xiàn)都有各自的特點，針對潛在的問題有不同的解決方案，歸納如下：

性能：redis > zookeeper > db。

避免死鎖：DB通過應(yīng)用層設(shè)置定時任務(wù)來刪除過期還未釋放的鎖，redis通過設(shè)置超時時間來解決，而zookeeper是通過臨時節(jié)點來解決。

可用性：DB可通過數(shù)據(jù)庫同步復(fù)制，vip切換master來解決，redis可通過集群或者master-slave方式來解決，zookeeper本身自己是通過zab協(xié)議集群部署來解決的。注意，DB和redis的復(fù)制一般都是異步的，也就是說某些時刻分布式鎖發(fā)生故障可能存在數(shù)據(jù)不一致問題，而zookeeper本身通過zab協(xié)議保證集群內(nèi)(至少n/2+1個)節(jié)點數(shù)據(jù)一致性。

鎖喚醒：DB和redis分布式鎖一般不支持喚醒機制（也可以通過應(yīng)用層自己做輪詢檢測鎖是否空閑，空閑就喚醒內(nèi)部加鎖線程），zookeeper可通過本身的watcher/notify機制來做。

使用分布式鎖，安全性上和多線程（同一個進程內(nèi)）加鎖是沒法比的，可能由于網(wǎng)絡(luò)原因，分布式鎖服務(wù)（因為超時或者認(rèn)為client掛了）將加鎖資源給刪除了，如果client端繼續(xù)操作共享資源，此時是有隱患的。因此，對于分布式鎖，一個是盡量提高分布式鎖服務(wù)的可用性，另一個就是要部署同一內(nèi)網(wǎng)，盡量降低網(wǎng)絡(luò)問題發(fā)生幾率。這樣來看，貌似分布式鎖服務(wù)不是“完美”的（PS：技術(shù)貌似也不好做到十全十美 :( ），那么開發(fā)人員該如何選擇分布式鎖呢？最好是結(jié)合自己的業(yè)務(wù)實際場景，來選擇不同的分布式鎖實現(xiàn)，一般來說，基于redis的分布式鎖服務(wù)應(yīng)用較多。