史上最通俗分散式鎖解讀

作者：賈俊江 ，JAVA開發工程師， 一個不止會寫程式碼的程式設計師，還是一個會打籃球的程式設計師。熱衷於實用技術便捷方案的探索，目前在研究分散式架構相關技術。

來自：部落格園，連結：https://www.cnblogs.com/JJJ1990/p/10496850.html

首先，分散式鎖和我們平常講到的鎖原理基本一樣，目的就是確保在多個執行緒併發時，只有一個執行緒在同一刻操作這個業務或者說方法、變數。

在一個程式中，也就是一個jvm或者說應用中，我們很容易去處理控制，在jdk java.util併發包中已經為我們提供了這些方法去加鎖，比如synchronized關鍵字或者Lock鎖，都可以處理。

但是我們現在的應用程式如果只部署一臺伺服器，那併發量是很差的，如果同時有上萬的請求，很有可能造成伺服器壓力過大而癱瘓。想想雙十一和大年三十晚上十點，瓜分支付寶紅包等業務場景，自然需要用到多臺伺服器去同時處理這些業務，這些服務可能會有上百臺同時處理。

但是我們想一想，如果有100臺伺服器要處理分紅包的業務，現在假設有1億的紅包，1千萬個人分，金額隨機，那麼這個業務場景下，是不是必須確保這1千萬個人最後分的紅包金額總和等於1億？

如果處理不好~~每人分到100萬，那馬雲爸爸估計大年初一，就得宣佈破產了~~

一、常規鎖會造成什麼情況？

---

首先說一下我們為什麼要搞叢集。

簡單理解就是，需求量（請求併發量）變大了，一個工人處理能力有限，那就多招一些工人來一起處理。

假設1千萬個請求平均分配到100臺伺服器上，每個伺服器接收10w的請求。這10w個請求並不是在同一秒中來的，可能是在1,2個小時內，可以聯想下我們三十晚上開紅包，等到10：20開始，有的人立馬開了，有的人等到12點才想起來。

那這樣的話，平均到每一秒上的請求也就不到1千個，這種壓力一般的伺服器還是可以承受的。

• 第一個使用者來分，請求到來後，需要在1億裡面給他分一部分錢，金額隨機，假設第一個人分到了100，那就要在這1億中減去100塊，剩下99999900塊~

• 第二個使用者再來分，金額隨機，這次分200塊，那就需要在剩下的99999900塊中再減去200塊，剩下99999700塊。

• 等到第10w個使用者來，一看還有1000w，那這1000w全成他的了。

等於是在每個伺服器中去分1億，也就是10w個使用者分了一個億，最後總計有100個伺服器，要分100億。

如果真這樣了，雖說馬雲爸爸不會破產（據最新統計馬雲有2300億人民幣），那分紅包的開發專案組，以及產品經理，可以GG了~

簡化結構圖如下：

二、分散式鎖怎麼去處理？

---

那麼為了解決這個問題，讓1000萬使用者只分1億，而不是100億，這個時候分散式鎖就派上用處了。

分散式鎖可以把整個叢集就當作是一個應用一樣去處理，那麼也就需要這個鎖獨立於每一個服務之外，而不是在服務裡面。

假設第一個伺服器接收到使用者1的請求後，不能只在自己的應用中去判斷還有多少錢可以分了，而需要去外部請求專門負責管理這1億紅包的人（服務），問他：哎，我這裡要分100塊，給我100。

管理紅包的妹子（服務）一看，還有1個億，那好，給你100塊，然後剩下99999900塊。

第二個請求到來後，被伺服器2獲取，繼續去詢問，管理紅包的妹子，我這邊要分10塊，管理紅包的妹子先查了下還有99999900，那就說：好，給你10塊。那就剩下99999890塊。

等到第1000w個請求到來後，伺服器100拿到請求，繼續去詢問，管理紅包的妹子，我要100，妹子翻了翻白眼，對你說，就剩1塊了，愛要不要，那這個時候就只能給你1塊了（1塊也是錢啊，買根辣條還是可以的）。

這些請求編號1,2不代表執行的先後順序，正式的場景下，應該是100臺伺服器每個伺服器持有一個請求去訪問負責管理紅包的妹子（服務），那在管紅包的妹子那裡同時會接收到100個請求，這個時候就需要在負責紅包的妹子那裡加個鎖就可以了（拋繡球），你們100個伺服器誰拿到鎖（搶到繡球），誰就進來和我談，我給你分，其他人就等著去吧。

經過上面的分散式鎖的處理後，馬雲爸爸終於放心了，決定給紅包團隊每人加一個雞腿。

簡化的結構圖如下：

三、分散式鎖的實現有哪些？

---

說到分散式鎖的實現，還是有很多的，有資料庫方式的，有Redis分散式鎖，有Zookeeper分散式鎖等等。

我們如果採用Redis作為分散式鎖，那麼上圖中負“責紅包的妹子（服務）”，就可以替換成Redis，請自行腦補。

1、為什麼Redis可以實現分散式鎖？

首先Redis是單執行緒的，這裡的單執行緒指的是網路請求模組使用了一個執行緒（所以不需考慮併發安全性），即一個執行緒處理所有網路請求，其他模組仍用了多個執行緒。

在實際的操作中過程大致是這樣子的：

伺服器1要去訪問發紅包的妹子，也就是Redis，那麼他會在Redis中透過"setnx key value" 操作設定一個key進去，value是啥不重要，重要的是要有一個key，也就是一個標記，而且這個key你愛叫啥叫啥，只要所有的伺服器設定的key相同就可以。

假設我們設定一個，如下圖：

那麼我們可以看到會返回一個1，那就代表了成功。

如果再來一個請求去設定同樣的key，如下圖：

這個時候會返回0，那就代表失敗了。

那麼我們就可以透過這個操作去判斷是不是當前可以拿到鎖，或者說可以去訪問“負責發紅包的妹子”，如果返回1，那我就開始去執行後面的邏輯，如果返回0，那就說明已經被人佔用了，我就要繼續等待。

當伺服器1拿到鎖之後，進行了業務處理，完成後，還需要釋放鎖，如下圖所示：

刪除成功返回1，那麼其他的伺服器就可以繼續重複上面的步驟去設定這個key，以達到獲取鎖的目的。

當然以上的操作是在Redis客戶端直接進行的，透過程式呼叫的話，肯定就不能這麼寫，比如java就需要透過jedis去呼叫，但是整個處理邏輯基本都是一樣的。

透過上面的方式，我們好像是解決了分散式鎖的問題，但是想想還有沒有什麼問題呢？

對，問題還是有的，可能會有死鎖的問題發生，比如伺服器1設定完之後，獲取了鎖之後，忽然發生了當機。

那後續的刪除key操作就沒法執行，這個key會一直在Redis中存在，其他伺服器每次去檢查，都會返回0，他們都會認為有人在使用鎖，我需要等。

為了解決這個死鎖的問題，我們就需要給key設定有效期了。

設定的方式有2種：

• 第一種就是在set完key之後，直接設定key的有效期 "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。

這種方式相當於，把鎖持有的有效期，交給了Redis去控制。如果時間到了，你還沒有給我刪除key，那Redis就直接給你刪了，其他伺服器就可以繼續去setnx獲取鎖。

• 第二種方式，就是把刪除key權利交給其他的伺服器，那這個時候就需要用到value值了， 比如伺服器1，設定了value也就是timeout為當前時間+1秒 ，這個時候伺服器2透過get發現時間已經超過系統當前時間了，那就說明伺服器1沒有釋放鎖，伺服器1可能出問題了，伺服器2就開始執行刪除key操作，並且繼續執行setnx操作。

但是這塊有一個問題，也就是不光你伺服器2可能會發現伺服器1超時了，伺服器3也可能會發現，如果剛好伺服器2 setnx操作完成，伺服器3就接著刪除，是不是伺服器3也可以setnx成功了？

那就等於是伺服器2和伺服器3都拿到鎖了，那就問題大了。這個時候怎麼辦呢？

這個時候需要用到“GETSET  key value”命令了。這個命令的意思就是獲取當前key的值，並且設定新的值。

假設伺服器2發現key過期了，開始呼叫getset命令，然後用獲取的時間判斷是否過期，如果獲取的時間仍然是過期的，那就說明拿到鎖了。

如果沒有，則說明在服務2執行getset之前，伺服器3可能也發現鎖過期了，並且在伺服器2之前執行了getset操作，重新設定了過期時間。

那麼伺服器2就需要放棄後續的操作，繼續等待伺服器3釋放鎖或者去監測key的有效期是否過期。

這塊其實有一個小問題是，伺服器3已經修改了有效期，拿到鎖之後，伺服器2也修改了有效期，但是沒能拿到鎖，但是這個有效期的時間已經被在伺服器3的基礎上有增加一些，但是這種影響其實還是很小的，幾乎可以忽略不計。

2、為什麼Zookeeper可實現分散式鎖？

百度百科是這麼介紹的：ZooKeeper是一個分散式的，開放原始碼的分散式應用程式協調服務，是Google的Chubby一個開源的實現，是Hadoop和Hbase的重要元件。

那對於我們初次認識的人，可以理解成ZooKeeper就像是我們的電腦檔案系統，我們可以在d盤中建立資料夾a，並且可以繼續在資料夾a中建立資料夾a1，a2。

那我們的檔案系統有什麼特點？那就是同一個目錄下檔名稱不能重複，同樣ZooKeeper也是這樣的。

在ZooKeeper所有的節點，也就是資料夾稱作Znode，而且這個Znode節點是可以儲存資料的。

我們可以透過“ create /zkjjj nice”來建立一個節點，這個命令就表示，在跟目錄下建立一個zkjjj的節點，值是nice。同樣這裡的值，和我在前面說的Redis中的一樣，沒什麼意義，你隨便給。

另外ZooKeeper可以建立4種型別的節點，分別是：

• 永續性節點

• 永續性順序節點

• 臨時性節點

• 臨時性順序節點

首先說下永續性節點和臨時性節點的區別：

• 永續性節點表示只要你建立了這個節點，那不管你ZooKeeper的客戶端是否斷開連線，ZooKeeper的服務端都會記錄這個節點；

• 臨時性節點剛好相反，一旦你ZooKeeper客戶端斷開了連線，那ZooKeeper服務端就不再儲存這個節點；

• 順便也說下順序性節點，順序性節點是指，在建立節點的時候，ZooKeeper會自動給節點編號比如0000001，0000002這種的。

Zookeeper有一個監聽機制，客戶端註冊監聽它關心的目錄節點，當目錄節點發生變化（資料改變、被刪除、子目錄節點增加刪除）等，Zookeeper會通知客戶端。

四、在Zookeeper中如何加鎖？

---

下面我們繼續結合我們上面的分紅包場景，描述下在Zookeeper中如何加鎖。

假設伺服器1，建立了一個節點 /zkjjj，成功了，那伺服器1就獲取了鎖，伺服器2再去建立相同的鎖，就會失敗，這個時候就只能監聽這個節點的變化。

等到伺服器1處理完業務，刪除了節點後，他就會得到通知，然後去建立同樣的節點，獲取鎖處理業務，再刪除節點，後續的100臺伺服器與之類似。

注意這裡的100臺伺服器並不是挨個去執行上面的建立節點的操作，而是併發的，當伺服器1建立成功，那麼剩下的99個就都會註冊監聽這個節點，等通知，以此類推。

但是大家有沒有注意到，這裡還是有問題的，還是會有死鎖的情況存在，對不對？

當伺服器1建立了節點後掛了，沒能刪除，那其他99臺伺服器就會一直等通知，那就完蛋了。。。

這個時候就需要用到臨時性節點了，我們前面說過了，臨時性節點的特點是客戶端一旦斷開，就會丟失，也就是當伺服器1建立了節點後，如果掛了，那這個節點會自動被刪除，這樣後續的其他伺服器，就可以繼續去建立節點，獲取鎖了。

但是我們可能還需要注意到一點，就是驚群效應：舉一個很簡單的例子，當你往一群鴿子中間扔一塊食物，雖然最終只有一個鴿子搶到食物，但所有鴿子都會被驚動來爭奪，沒有搶到…

就是當伺服器1節點有變化，會通知其餘的99個伺服器，但是最終只有1個伺服器會建立成功，這樣98還是需要等待監聽，那麼為了處理這種情況，就需要用到臨時順序性節點。大致意思就是，之前是所有99個伺服器都監聽一個節點，現在就是每一個伺服器監聽自己前面的一個節點。

假設100個伺服器同時發來請求，這個時候會在/zkjjj節點下建立100個臨時順序性節點/zkjjj/000000001，/zkjjj/000000002，一直到/zkjjj/000000100，這個編號就等於是已經給他們設定了獲取鎖的先後順序了。

當001節點處理完畢，刪除節點後，002收到通知，去獲取鎖，開始執行，執行完畢，刪除節點，通知003~以此類推。