分散式鎖初窺-分散式鎖的三種實現方式

誰主沉浮oo7發表於2020-08-25
分散式

分散式鎖應該具備哪些條件

在分析分散式鎖的三種實現方式之前，先了解一下分散式鎖應該具備哪些條件：

  1. 在分散式系統環境下，一個方法在同一時間只能被一個機器的一個執行緒執行；
  2. 高可用的獲取鎖與釋放鎖；
  3. 高效能的獲取鎖與釋放鎖；
  4. 具備可重入特性；
  5. 具備鎖失效機制，防止死鎖；
  6. 具備非阻塞鎖特性，即沒有獲取到鎖將直接返回獲取鎖失敗。

分散式鎖的三種實現方式

目前幾乎很多大型網站及應用都是分散式部署的，分散式場景中的資料一致性問題一直是一個比較重要的話題。分散式的CAP理論告訴我們“任何一個分散式系統都無法同時滿足一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分割槽容錯性（Partition tolerance），最多隻能同時滿足兩項。”所以，很多系統在設計之初就要對這三者做出取捨。在網際網路領域的絕大多數的場景中，都需要犧牲強一致性來換取系統的高可用性，系統往往只需要保證“最終一致性”，只要這個最終時間是在使用者可以接受的範圍內即可。

在很多場景中，我們為了保證資料的最終一致性，需要很多的技術方案來支援，比如分散式事務、分散式鎖等。有的時候，我們需要保證一個方法在同一時間內只能被同一個執行緒執行。

基於資料庫實現分散式鎖；
基於快取（Redis等）實現分散式鎖；
基於Zookeeper實現分散式鎖；

基於資料庫的實現方式

基於資料庫的實現方式的核心思想是：在資料庫中建立一個表，表中包含方法名等欄位，並在方法名欄位上建立唯一索引，想要執行某個方法，就使用這個方法名向表中插入資料，成功插入則獲取鎖，執行完成後刪除對應的行資料釋放鎖。

  1. 建立一個表
DROP TABLE IF EXISTS `method_lock`;
CREATE TABLE `method_lock` (
  `id` int(11) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '主鍵',
  `method_name` varchar(64) NOT NULL COMMENT '鎖定的方法名',
  `desc` varchar(255) NOT NULL COMMENT '備註資訊',
  `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 COMMENT='鎖定中的方法';
  1. 想要執行某個方法，就使用這個方法名向表中插入資料：
INSERT INTO method_lock (method_name, desc) VALUES ('methodName', '測試的methodName');

因為我們對method_name做了唯一性約束，這裡如果有多個請求同時提交到資料庫的話，資料庫會保證只有一個操作可以成功，那麼我們就可以認為操作成功的那個執行緒獲得了該方法的鎖，可以執行方法體內容。

  1. 成功插入則獲取鎖，執行完成後刪除對應的行資料釋放鎖：
delete from method_lock where method_name ='methodName';

注意：這只是使用基於資料庫的一種方法，使用資料庫實現分散式鎖還有很多其他的玩法！

使用基於資料庫的這種實現方式很簡單，但是對於分散式鎖應該具備的條件來說，它有一些問題需要解決及優化：

  1. 因為是基於資料庫實現的，資料庫的可用性和效能將直接影響分散式鎖的可用性及效能，所以，資料庫需要雙機部署、資料同步、主備切換；

  2. 不具備可重入的特性，因為同一個執行緒在釋放鎖之前，行資料一直存在，無法再次成功插入資料，所以，需要在表中新增一列，用於記錄當前獲取到鎖的機器和執行緒資訊，在再次獲取鎖的時候，先查詢表中機器和執行緒資訊是否和當前機器和執行緒相同，若相同則直接獲取鎖；

  3. 沒有鎖失效機制，因為有可能出現成功插入資料後，伺服器當機了，對應的資料沒有被刪除，當服務恢復後一直獲取不到鎖，所以，需要在表中新增一列，用於記錄失效時間，並且需要有定時任務清除這些失效的資料；

  4. 不具備阻塞鎖特性，獲取不到鎖直接返回失敗，所以需要優化獲取邏輯，迴圈多次去獲取。

  5. 在實施的過程中會遇到各種不同的問題，為了解決這些問題，實現方式將會越來越複雜；依賴資料庫需要一定的資源開銷，效能問題需要考慮。

基於Redis實現分散式鎖

  1. 選用Redis實現分散式鎖原因：
  • Redis有很高的效能；
  • Redis命令對此支援較好，實現起來比較方便
  1. 使用命令介紹：
  • SETNX

SETNX key val：當且僅當key不存在時，set一個key為val的字串，返回1；若key存在，則什麼都不做，返回0。

  • expire

expire key timeout：為key設定一個超時時間，單位為second，超過這個時間鎖會自動釋放，避免死鎖。

  • delete

delete key：刪除key

在使用Redis實現分散式鎖的時候，主要就會使用到這三個命令。

  1. 實現思想：
  • 獲取鎖的時候，使用setnx加鎖，並使用expire命令為鎖新增一個超時時間，超過該時間則自動釋放鎖，鎖的value值為一個隨機生成的UUID，通過此在釋放鎖的時候進行判斷。
  • 獲取鎖的時候還設定一個獲取的超時時間，若超過這個時間則放棄獲取鎖。
  • 釋放鎖的時候，通過UUID判斷是不是該鎖，若是該鎖，則執行delete進行鎖釋放。

基於Zookeeper實現分散式鎖

ZooKeeper是一個為分散式應用提供一致性服務的開源元件，它內部是一個分層的檔案系統目錄樹結構，規定同一個目錄下只能有一個唯一檔名。基於ZooKeeper實現分散式鎖的步驟如下：

（1）建立一個目錄mylock；
（2）執行緒A想獲取鎖就在mylock目錄下建立臨時順序節點；
（3）獲取mylock目錄下所有的子節點，然後獲取比自己小的兄弟節點，如果不存在，則說明當前執行緒順序號最小，獲得鎖；
（4）執行緒B獲取所有節點，判斷自己不是最小節點，設定監聽比自己次小的節點；
（5）執行緒A處理完，刪除自己的節點，執行緒B監聽到變更事件，判斷自己是不是最小的節點，如果是則獲得鎖。

這裡推薦一個Apache的開源庫Curator，它是一個ZooKeeper客戶端，Curator提供的InterProcessMutex是分散式鎖的實現，acquire方法用於獲取鎖，release方法用於釋放鎖。

優點：具備高可用、可重入、阻塞鎖特性，可解決失效死鎖問題。

缺點：因為需要頻繁的建立和刪除節點，效能上不如Redis方式。

結語

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