本文主要會關(guān)注的問題是“分布式鎖”的問題。
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。
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： 分布式鎖服務一般要滿足AP，也就是說，只要分布式鎖服務集群節(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（開往分布式鎖的設計與實現(xiàn)的）車。
一、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：
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，標記下當前加鎖的client和加鎖次數(shù)）。將key_id設置為唯一索引，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：
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，需要在應用層加上定時任務，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：
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。
二、Redis鎖
Redis鎖是通過以下命令對資源進行加鎖：
set key_id key_value NX PX expireTime
其中，set nx命令只會在key不存在時給key進行賦值，px用來設置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置過的隨機值，只有是才釋放鎖）。由于資源設置了過期時間，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：
分布式鎖服務中的一個問題
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，一旦緩存服務宕機，鎖數(shù)據(jù)就丟失了。
像Redis自帶復制功能，可以對數(shù)據(jù)可靠性有一定的保證，但是由于復制也是異步完成的，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。
三、Zookeeper分布式鎖
ZooKeeper是一個高可用的分布式協(xié)調(diào)服務，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：分布式鎖服務。想學習Java工程化、分布式架構(gòu)、高并發(fā)、高性能、深入淺出、微服務架構(gòu)、Spring，MyBatis，Netty源碼分析等技術(shù)可以加群：479499375，群里有阿里大牛直播講解技術(shù)，以及Java大型互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的視頻免費分享給大家，歡迎進群一起深入交流學習。
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)絡原因?qū)е耑ookeeper服務與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：
四、總結(jié)
從上面介紹的3種分布式鎖的設計與實現(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通過應用層設置定時任務來刪除過期還未釋放的鎖，Redis通過設置超時時間來解決，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)絡原因，分布式鎖服務（因為超時或者認為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，一個是要盡量提高分布式鎖服務的可用性，另一個就是要部署同一內(nèi)網(wǎng)，盡量降低網(wǎng)絡問題發(fā)生幾率。
這樣來看，貌似分布式鎖服務不是“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的分布式鎖服務應用較多。
重慶分公司
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