分布式锁以及三种实现方式

分布式系统中,一致性一直是一个比较重要的话题,分布式经典的CAP理论指出,任何一个分布式系统都无法同时满足一致性(Consistency)、可用性(Availablity)和分区容错性(Partition tolerance),最多只能满足两项,这里我们讨论如何使用分布式锁来满足一致性。


分布式锁具备条件

在分析分布式锁的实现之间,先来了解一下分布式锁应该具备哪些条件:

1、在分布式系统环境下,一个方法在同一时间只能被一个机器的一个线程执行;
2、高可用的获取锁与释放锁;
3、高性能的获取锁与释放锁;
4、具备可重入特性;
5、具备锁失效机制,防止死锁;
6、具备非阻塞锁特性,即没有获取到锁将直接返回获取锁失败。


分布式锁的三种实现方式

  • 基于数据库实现分布式锁;
  • 基于缓存(Redis等)实现分布式缓存;
  • 基于Zookeeper实现分布式锁。

基于数据库的实现方式

基于数据库实现方式的核心思想是:在数据库中创建一个表,表中包含方法名等字段,并在方法名字段上创建唯一索引,想要执行某个方法,就使用这个方法名向表中插入数据,成功插入则获取锁,执行完成后删除对应的行数据释放锁。

  • 创建一个表

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    DROP TABLE IF EXISTS `method_lock`;
    CREATE TABLE `method_lock` (
    `id` int(11) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
    `method_name` varchar(64) NOT NULL,
    `desc` varchar(255) NOT NULL,
    `update_time` timestamp NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP,
    PRIMARY KEY(`id`),
    UNIQUE KEY `uidx_method_name` (`method_name`) USING BTREE
    ) ENGINE = InnoDB AUTO_INCREMENT=3 DEFAULT CHARSET=utf8
  • 获取锁,往表中插入数据

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    INSERT INTO method_lock(method_name, desc) VALUES('methodname', '测试methodname');

我们对method_name做了唯一性约束,当有多个请求同时提交到数据库时,数据库会保证只有一个才做可以成功,那么我们可以认为操作成功的那个县城获得该方法的锁,可以执行具体内容。

  • 释放锁,删除数据
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    DELETE FROM method_lock WHERE method='methodname';

注意:
1、因为是基于数据库实现的,数据库的可用性和性能将直接影响分布式锁的可用性及性能,所以,数据库需要双机部署、数据同步、主备切换;
2、不具备可重入的特性,因为同一个线程在释放锁之前,行数据一直存在,无法再次成功插入数据,所以,需要在表中新增一列,用于记录当前获取到锁的机器和线程信息,在再次获取锁的时候,先查询表中机器和线程信息是否和当前机器和线程相同,若相同则直接获取锁;
3、没有锁失效机制,因为有可能出现成功插入数据后,服务器宕机了,对应的数据没有被删除,当服务恢复后一直获取不到锁,所以,需要在表中新增一列,用于记录失效时间,并且需要有定时任务清除这些失效的数据;
4、不具备阻塞锁特性,获取不到锁直接返回失败,所以需要优化获取逻辑,循环多次去获取;
5、在实施的过程中会遇到各种不同的问题,为了解决这些问题,实现方式将会越来越复杂;依赖数据库需要一定的资源开销,性能问题需要考虑。


基于Redis的实现方式

1、使用Redis的原因:

  • Redis有很高的性能
  • Redis本身的语义对锁的获取和释放有很好的支持

2、 Redis基本命令:
(1)SETNX

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SETNX key val: 当且仅当key不存在时,set一个key为val的字符串,返回1;若key存在,则什么都不做,返回0

(2)expire

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expire key timeout:为key设置一个超时时间,单位为second,超过这个时间锁会自动释放,避免死锁。

(3)delete

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delete key:删除key

3、实现思想:
(1)获取锁的时候使用SETNX加锁,并使用expire命令为锁添加一个超时时间,超过该时间则自动释放该锁,锁的value值为随机生成的UUID,通过此在释放锁的时候进行判断;
(2)获取锁的时候还设置一个获取的超时实践,若超过这个时间则放弃获取锁;
(3)释放锁的时候,通过UUID判断是不是该锁,若是该锁,则执行delete进行锁释放。


基于Zookeeper的实现方式

ZooKeeper是一个为分布式应用提供一致性服务的开源组件,它内部是一个分层的文件系统目录树结构,规定同一个目录下只能有一个唯一文件名。基于ZooKeeper实现分布式锁的步骤如下:
(1)创建一个目录mylock;
(2)线程A想获取锁就在mylock目录下创建临时顺序节点;
(3)获取mylock目录下所有的子节点,然后获取比自己小的兄弟节点,如果不存在,则说明当前线程顺序号最小,获得锁;
(4)线程B获取所有节点,判断自己不是最小节点,设置监听比自己次小的节点;
(5)线程A处理完,删除自己的节点,线程B监听到变更事件,判断自己是不是最小的节点,如果是则获得锁。
优点:具备高可用、可重入、阻塞锁特性,可解决失效死锁问题。
缺点:因为需要频繁的创建和删除节点,性能上不如Redis方式。


参考资料:
分布式锁简单入门以及三种实现方式介绍
分布式锁的一点理解