分布式锁是控制分布式系统之间同步访问共享资源的一种方式。如果不同的系统或是同一个系统的不同主机之间共享了一个或一组资源,那么访问这些资源时,需要通过一些互斥手段来防止彼此之间的干扰以保证一致性,在这种情况下,就需要使用分布式锁了。

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:"任何一个分布式系统都无法同时满足一致性(Consistency)、可用性(Availability)和分区容错性(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:

1)基于数据库实现分布式锁;
2)基于缓存(redis,memcached,tair)实现分布式锁;
3)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。

  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:

想要执行某个方法,就使用这个方法名向表中插入数据:

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:

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。

使用Redis 命令实现分布式锁

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) SETNX lock currentTime+expireTime EX 600 NX,使用setnx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。详见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。

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。