分布式锁几种实现方式

文章目录

• • 基于数据库的实现方式
  • 基于Redis的实现方式
  • 基于ZooKeeper的实现方式
  • Etcd怎么实现分布式锁?
  • [ZK 和 Redis 的区别，各自有什么优缺点？](#ZK 和 Redis 的区别，各自有什么优缺点？)
  • 你了解业界哪些大公司的分布式锁框架

在分析分布式锁的三种实现方式之前，先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。

分布式的CAP理论告诉我们"任何一个分布式系统都无法同时满足一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分区容忍性（Partition tolerance），最多只能同时满足两项。"所以，很多系统在设计之初就要对这三者做出取舍。在互联网领域的绝大多数的场景中，都需要牺牲强一致性来换取系统的高可用性，系统往往只需要保证"最终一致性"，只要这个最终时间是在用户可以接受的范围内即可。

通常分布式锁以单独的服务方式实现，目前比较常用的分布式锁实现有三种：

• 基于数据库实现分布式锁。
• 基于缓存（redis，memcached，tair）实现分布式锁。
• 基于Zookeeper实现分布式锁。
  尽管有这三种方案，但是不同的业务也要根据自己的情况进行选型，他们之间没有最好只有更适合！

基于数据库的实现方式

基于数据库的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：

DROP TABLE IF EXISTS `method_lock`;
CREATE TABLE `method_lock` (
	`id` int(11) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '主键',
	`method_name` varchar(64) NOT NULL COMMENT '锁定的方法名',
	`desc` varchar(255) NOT NULL COMMENT '备注信息',
	`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='锁定中的方法';

想要执行某个方法，就使用这个方法名向表中插入数据：

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

因为我们对method_name做了唯一性约束，这里如果有多个请求同时提交到数据库的话，数据库会保证只有一个

操作可以成功，那么我们就可以认为操作成功的那个线程获得了该方法的锁，可以执行方法体内容。

成功插入则获取锁，执行完成后删除对应的行数据释放锁：

delete from method_lock where method_name ='methodName';

注意：这里只是使用基于数据库的一种方法，使用数据库实现分布式锁还有很多其他的用法可以实现！

使用基于数据库的这种实现方式很简单，但是对于分布式锁应该具备的条件来说，它有一些问题需要解决及优化：

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

选用Redis实现分布式锁原因：

1. Redis有很高的性能；
2. Redis命令对此支持较好，实现起来比较方便

主要实现方式:

1. SET lock currentTime+expireTime EX 600 NX，使用set设置lock值，并设置过期时间为600秒，如果成功，则获取锁；
2. 获取锁后，如果该节点掉线，则到过期时间ock值自动失效；
3. 释放锁时，使用del删除lock键值；

使用redis单机来做分布式锁服务，可能会出现单点问题，导致服务可用性差，因此在服务稳定性要求高的场合，官方建议使用redis集群（例如5台，成功请求锁超过3台就认为获取锁），来实现redis分布式锁。详⻅RedLock。

• 优点：性能高，redis可持久化，也能保证数据不易丢失,redis集群方式提高稳定性。
• 缺点：使用redis主从切换时可能丢失部分数据。

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。

这里推荐一个Apache的开源库Curator，它是一个ZooKeeper客户端，Curator提供的InterProcessMutex是分布式锁的实现，acquire方法用于获取锁，release方法用于释放锁。

• 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。

上面的三种实现方式，没有在所有场合都是完美的，所以，应根据不同的应用场景选择最适合的实现方式。

在分布式环境中，对资源进行上锁有时候是很重要的，比如抢购某一资源，这时候使用分布式锁就可以很好地控制资源。

Etcd怎么实现分布式锁?

首先思考下Etcd是什么？可能很多人第一反应可能是一个键值存储仓库，却没有重视官方定义的后半句，用于配置共享和服务发现。

A highly-available key value store for shared configuration and service discovery.

实际上，etcd 作为一个受到 ZooKeeper 与 doozer 启发而催生的项目，除了拥有与之类似的功能外，更专注于以下四点。

• 简单：基于 HTTP+JSON 的 API 让你用 curl 就可以轻松使用。
• 安全：可选 SSL 客户认证机制。
• 快速：每个实例每秒支持一千次写操作。
• 可信：使用 Raft 算法充分实现了分布式。
  但是这里我们主要讲述Etcd如何实现分布式锁?

因为 Etcd 使用 Raft 算法保持了数据的强一致性，某次操作存储到集群中的值必然是全局一致的，所以很容易实现分布式锁。锁服务有两种使用方式，一是保持独占，二是控制时序。

• 保持独占即所有获取锁的用户最终只有一个可以得到。etcd 为此提供了一套实现分布式锁原子操作 CAS（CompareAndSwap）的 API。通过设置prevExist值，可以保证在多个节点同时去创建某个目录时，只有一个成功。而创建成功的用户就可以认为是获得了锁。
• 控制时序，即所有想要获得锁的用户都会被安排执行，但是获得锁的顺序也是全局唯一的，同时决定了执行顺序。etcd 为此也提供了一套 API（自动创建有序键），对一个目录建值时指定为POST动作，这样 etcd 会自动在目录下生成一个当前最大的值为键，存储这个新的值（客户端编号）。同时还可以使用 API 按顺序列出所有当前目录下的键值。此时这些键的值就是客户端的时序，而这些键中存储的值可以是代表客户端的编号。

在这里Ectd实现分布式锁基本实现原理为：

• 1. 在ectd系统里创建一个key
• 2. 如果创建失败，key存在，则监听该key的变化事件，直到该key被删除，回到1
• 3. 如果创建成功，则认为我获得了锁

ZK 和 Redis 的区别，各自有什么优缺点？

• 先说 Redis：
  Redis 只保证最终一致性，副本间的数据复制是异步进行（Set 是写，Get 是读，Reids 集群一般是读写分离架构，存在主从同步延迟情况），主从切换之后可能有部分数据没有复制过去可能会丢失锁情况，故强一致性要求的业务不推荐使用 Reids，推荐使用 zk。
  Redis 集群各方法的响应时间均为最低。随着并发量和业务数量的提升其响应时间会有明显上升（公有集群影响因素偏大），但是极限 qps 可以达到最大且基本无异常。
• 再说 ZK：
  使用 ZooKeeper 集群，锁原理是使用 ZooKeeper 的临时节点，临时节点的生命周期在 Client 与集群的Session 结束时结束。因此如果某个 Client 节点存在网络问题，与 ZooKeeper 集群断开连接，Session 超时同样会导致锁被错误的释放（导致被其他线程错误地持有），因此 ZooKeeper 也无法保证完全一致。
  ZK具有较好的稳定性；响应时间抖动很小，没有出现异常。但是随着并发量和业务数量的提升其响应时间和qps 会明显下降。

你了解业界哪些大公司的分布式锁框架

• Google:Chubby
  Chubby是一套分布式协调系统，内部使用 Paxos 协调 Master 与 Replicas。 Chubby lock service 被应用在 GFS,BigTable 等项目中，其首要设计目标是高可靠性，而不是高性能。
  Chubby被作为粗粒度锁使用，例如被用于选主。持有锁的时间跨度一般为小时或天，而不是秒级。
  Chubby对外提供类似于文件系统的 API，在 Chubby创建文件路径即加锁操作。 Chubby使用 Delay 和SequenceNumber来优化锁机制。Delay 保证客户端异常释放锁时，Chubby仍认为该客户端一直持有锁。
  Sequence number 指锁的持有者向 Chubby服务端请求一个序号（包括几个属性），然后之后在需要使用锁的时候将该序号一并发给 Chubby 服务器，服务端检查序号的合法性，包括 number 是否有效等。
• 京东 SharkLock
  SharkLock 是基于 Redis 实现的分布式锁。锁的排他性由 SETNX原语实现，使用 timeout 与续租机制实现锁的强制释放。
• 蚂蚁金服 SOFAJRaft-RheaKV 分布式锁
  RheaKV 是基于 SOFAJRaft 和 RocksDB 实现的嵌入式、分布式、高可用、强一致的 KV 存储类库。
  RheaKV对外提供 lock 接口，为了优化数据的读写，按不同的存储类型，提供不同的锁特性。RheaKV提供wathcdog 调度器来控制锁的自动续租机制，避免锁在任务完成前提前释放，和锁永不释放造成死锁。
• Netflix: Curator
  Curator 是 ZooKeeper 的客户端封装，其分布式锁的实现完全由 ZooKeeper 完成。
  在 ZooKeeper 创建 EPHEMERAL_SEQUENTIAL节点视为加锁，节点的 EPHEMERAL特性保证了锁持有者与ZooKeeper 断开时强制释放锁；节点的 SEQUENTIAL特性避免了加锁较多时的惊群效应。