分布式鎖如何實現

這篇文章將為大家詳細講解有關分布式鎖如何實現，小編覺得挺實用的，因此分享給大家做個參考，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲。

分布式鎖三種實現方式：1、基于數據庫實現分布式鎖；2、基于緩存（Redis等）實現分布式鎖；3、基于Zookeeper實現分布式鎖。從性能角度（從高到低）來看：“緩存方式>Zookeeper方式>=數據庫方式”。

分布式鎖三種實現方式：

1. 基于數據庫實現分布式鎖；
2. 基于緩存（Redis等）實現分布式鎖；
3. 基于Zookeeper實現分布式鎖；

一， 基于數據庫實現分布式鎖

1. 悲觀鎖

利用select … where … for update 排他鎖

注意: 其他附加功能與實現一基本一致，這里需要注意的是“where name=lock ”，name字段必須要走索引，否則會鎖表。有些情況下，比如表不大，mysql優化器會不走這個索引，導致鎖表問題。

2. 樂觀鎖

所謂樂觀鎖與前邊最大區別在于基于CAS思想，是不具有互斥性，不會產生鎖等待而消耗資源，操作過程中認為不存在并發沖突，只有update version失敗后才能覺察到。我們的搶購、秒殺就是用了這種實現以防止超賣。
通過增加遞增的版本號字段實現樂觀鎖

二， 基于緩存（Redis等）實現分布式鎖

1. 使用命令介紹：
（1）SETNX
SETNX key val：當且僅當key不存在時，set一個key為val的字符串，返回1；若key存在，則什么都不做，返回0。
（2）expire
expire key timeout：為key設置一個超時時間，單位為second，超過這個時間鎖會自動釋放，避免死鎖。
（3）delete
delete key：刪除key

在使用Redis實現分布式鎖的時候，主要就會使用到這三個命令。

2. 實現思想：
（1）獲取鎖的時候，使用setnx加鎖，并使用expire命令為鎖添加一個超時時間，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。
（2）獲取鎖的時候還設置一個獲取的超時時間，若超過這個時間則放棄獲取鎖。
（3）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。

3. 分布式鎖的簡單實現代碼：

 /**
    * 分布式鎖的簡單實現代碼    */
   public class DistributedLock {
   
       private final JedisPool jedisPool;
   
       public DistributedLock(JedisPool jedisPool) {
          this.jedisPool = jedisPool;
      }
  
      /**
       * 加鎖
       * @param lockName       鎖的key
       * @param acquireTimeout 獲取超時時間
       * @param timeout        鎖的超時時間
       * @return 鎖標識
       */
      public String lockWithTimeout(String lockName, long acquireTimeout, long timeout) {
          Jedis conn = null;
          String retIdentifier = null;
          try {
              // 獲取連接
              conn = jedisPool.getResource();
              // 隨機生成一個value
              String identifier = UUID.randomUUID().toString();
              // 鎖名，即key值
              String lockKey = "lock:" + lockName;
              // 超時時間，上鎖后超過此時間則自動釋放鎖
              int lockExpire = (int) (timeout / );
  
              // 獲取鎖的超時時間，超過這個時間則放棄獲取鎖
              long end = System.currentTimeMillis() + acquireTimeout;
              while (System.currentTimeMillis() < end) {
                  if (conn.setnx(lockKey, identifier) == ) {
                      conn.expire(lockKey, lockExpire);
                      // 返回value值，用于釋放鎖時間確認
                      retIdentifier = identifier;
                      return retIdentifier;
                  }
                  // 返回-代表key沒有設置超時時間，為key設置一個超時時間
                  if (conn.ttl(lockKey) == -) {
                      conn.expire(lockKey, lockExpire);
                  }
  
                  try {
                      Thread.sleep();
                  } catch (InterruptedException e) {
                      Thread.currentThread().interrupt();
                  }
              }
          } catch (JedisException e) {
              e.printStackTrace();
          } finally {
              if (conn != null) {
                  conn.close();
              }
          }
          return retIdentifier;
      }
  
      /**
       * 釋放鎖
       * @param lockName   鎖的key
       * @param identifier 釋放鎖的標識
       * @return
       */
      public boolean releaseLock(String lockName, String identifier) {
          Jedis conn = null;
          String lockKey = "lock:" + lockName;
          boolean retFlag = false;
          try {
              conn = jedisPool.getResource();
              while (true) {
                  // 監視lock，準備開始事務
                  conn.watch(lockKey);
                  // 通過前面返回的value值判斷是不是該鎖，若是該鎖，則刪除，釋放鎖
                  if (identifier.equals(conn.get(lockKey))) {
                      Transaction transaction = conn.multi();
                      transaction.del(lockKey);
                     List<Object> results = transaction.exec();
                     if (results == null) {
                         continue;
                     }
                     retFlag = true;
                 }
                 conn.unwatch();
                 break;
             }
         } catch (JedisException e) {
             e.printStackTrace();
         } finally {
             if (conn != null) {
                 conn.close();
             }
         }
         return retFlag;
     }
 }

4. 測試剛才實現的分布式鎖

例子中使用50個線程模擬秒殺一個商品，使用–運算符來實現商品減少，從結果有序性就可以看出是否為加鎖狀態。

模擬秒殺服務，在其中配置了jedis線程池，在初始化的時候傳給分布式鎖，供其使用。

public class Service {

    private static JedisPool pool = null;

    private DistributedLock lock = new DistributedLock(pool);

    int n = 500;

    static {
        JedisPoolConfig config = new JedisPoolConfig();
        // 設置最大連接數
        config.setMaxTotal(200);
        // 設置最大空閑數
        config.setMaxIdle(8);
        // 設置最大等待時間
        config.setMaxWaitMillis(1000 * 100);
        // 在borrow一個jedis實例時，是否需要驗證，若為true，則所有jedis實例均是可用的
        config.setTestOnBorrow(true);
        pool = new JedisPool(config, "127.0.0.1", 6379, 3000);
    }

    public void seckill() {
        // 返回鎖的value值，供釋放鎖時候進行判斷
        String identifier = lock.lockWithTimeout("resource", 5000, 1000);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "獲得了鎖");
        System.out.println(--n);
        lock.releaseLock("resource", identifier);
    }
}

模擬線程進行秒殺服務;

public class ThreadA extends Thread {
    private Service service;

    public ThreadA(Service service) {
        this.service = service;
    }

    @Override
    public void run() {
        service.seckill();
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Service service = new Service();
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            ThreadA threadA = new ThreadA(service);
            threadA.start();
        }
    }
}

結果如下，結果為有序的：

若注釋掉使用鎖的部分：

public void seckill() {
    // 返回鎖的value值，供釋放鎖時候進行判斷
    //String indentifier = lock.lockWithTimeout("resource", 5000, 1000);
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "獲得了鎖");
    System.out.println(--n);
    //lock.releaseLock("resource", indentifier);
}

從結果可以看出，有一些是異步進行的：

三， 基于Zookeeper實現分布式鎖

ZooKeeper是一個為分布式應用提供一致性服務的開源組件，它內部是一個分層的文件系統目錄樹結構，規定同一個目錄下只能有一個唯一文件名。基于ZooKeeper實現分布式鎖的步驟如下：

（1）創建一個目錄mylock；
（2）線程A想獲取鎖就在mylock目錄下創建臨時順序節點；
（3）獲取mylock目錄下所有的子節點，然后獲取比自己小的兄弟節點，如果不存在，則說明當前線程順序號最小，獲得鎖；
（4）線程B獲取所有節點，判斷自己不是最小節點，設置監聽比自己次小的節點；
（5）線程A處理完，刪除自己的節點，線程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。

這里推薦一個Apache的開源庫Curator，它是一個ZooKeeper客戶端，Curator提供的InterProcessMutex是分布式鎖的實現，acquire方法用于獲取鎖，release方法用于釋放鎖。

實現源碼如下：

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.apache.commons.lang.StringUtils;
import org.apache.curator.framework.CuratorFramework;
import org.apache.curator.framework.CuratorFrameworkFactory;
import org.apache.curator.retry.RetryNTimes;
import org.apache.zookeeper.CreateMode;
import org.apache.zookeeper.data.Stat;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Value;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.stereotype.Component;

/**
 * 分布式鎖Zookeeper實現
 *
 */
@Slf4j
@Component
public class ZkLock implements DistributionLock {
private String zkAddress = "zk_adress";
    private static final String root = "package root";
    private CuratorFramework zkClient;

    private final String LOCK_PREFIX = "/lock_";

    @Bean
    public DistributionLock initZkLock() {
        if (StringUtils.isBlank(root)) {
            throw new RuntimeException("zookeeper 'root' can't be null");
        }
        zkClient = CuratorFrameworkFactory
                .builder()
                .connectString(zkAddress)
                .retryPolicy(new RetryNTimes(2000, 20000))
                .namespace(root)
                .build();
        zkClient.start();
        return this;
    }

    public boolean tryLock(String lockName) {
        lockName = LOCK_PREFIX+lockName;
        boolean locked = true;
        try {
            Stat stat = zkClient.checkExists().forPath(lockName);
            if (stat == null) {
                log.info("tryLock:{}", lockName);
                stat = zkClient.checkExists().forPath(lockName);
                if (stat == null) {
                    zkClient
                            .create()
                            .creatingParentsIfNeeded()
                            .withMode(CreateMode.EPHEMERAL)
                            .forPath(lockName, "1".getBytes());
                } else {
                    log.warn("double-check stat.version:{}", stat.getAversion());
                    locked = false;
                }
            } else {
                log.warn("check stat.version:{}", stat.getAversion());
                locked = false;
            }
        } catch (Exception e) {
            locked = false;
        }
        return locked;
    }

    public boolean tryLock(String key, long timeout) {
        return false;
    }

    public void release(String lockName) {
        lockName = LOCK_PREFIX+lockName;
        try {
            zkClient
                    .delete()
                    .guaranteed()
                    .deletingChildrenIfNeeded()
                    .forPath(lockName);
            log.info("release:{}", lockName);
        } catch (Exception e) {
            log.error("刪除", e);
        }
    }

    public void setZkAddress(String zkAddress) {
        this.zkAddress = zkAddress;
    }
}

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：因為需要頻繁的創建和刪除節點，性能上不如Redis方式。

四，對比

數據庫分布式鎖實現
缺點：

1.db操作性能較差，并且有鎖表的風險
2.非阻塞操作失敗后，需要輪詢，占用cpu資源;
3.長時間不commit或者長時間輪詢，可能會占用較多連接資源

Redis(緩存)分布式鎖實現
缺點：

1.鎖刪除失敗 過期時間不好控制
2.非阻塞，操作失敗后，需要輪詢，占用cpu資源;

ZK分布式鎖實現
缺點：性能不如redis實現，主要原因是寫操作（獲取鎖釋放鎖）都需要在Leader上執行，然后同步到follower。

總之：ZooKeeper有較好的性能和可靠性。

從理解的難易程度角度（從低到高）數據庫 > 緩存 > Zookeeper

從實現的復雜性角度（從低到高）Zookeeper >= 緩存 > 數據庫

從性能角度（從高到低）緩存 > Zookeeper >= 數據庫

從可靠性角度（從高到低）Zookeeper > 緩存 > 數據庫

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