前言

在單機(jī)環(huán)境中，我們主要通過(guò)線程間的加鎖機(jī)制來(lái)確保同一時(shí)間只有一個(gè)線程能夠訪問(wèn)某個(gè)共享資源或執(zhí)行某個(gè)關(guān)鍵代碼塊，從而防止各種并發(fā)修改異常。例如，在Java中提供了synchronized/Lock。但是在分布式環(huán)境中，這種線程間的鎖機(jī)制已經(jīng)不起作用了，因?yàn)橄到y(tǒng)會(huì)被部署在不同機(jī)器上，這些資源已經(jīng)不是在線程間共享了，而是進(jìn)程之間共享資源。為了解決這個(gè)問(wèn)題，分布式鎖應(yīng)運(yùn)而生。本文將詳細(xì)解析分布式鎖的原理、應(yīng)用與挑戰(zhàn)，以幫助讀者更好地理解和應(yīng)用分布式鎖。

分布式鎖的原理

首先，從最原始的鎖定義來(lái)看，鎖是一種同步機(jī)制，主要用于協(xié)調(diào)并發(fā)訪問(wèn)共享資源的行為。分布式鎖也符合這個(gè)定義，只不過(guò)運(yùn)行環(huán)境從單機(jī)變?yōu)榉植际江h(huán)境。它們的核心操作都可以分為以下三個(gè)步驟：

1. 獲取：在訪問(wèn)共享資源前，先獲取一個(gè)鎖

2. 占有：獲取成功的進(jìn)程或線程可以訪問(wèn)共享資源，其他進(jìn)程或線程則需要等待鎖釋放后才能進(jìn)行訪問(wèn)

3. 釋放：釋放鎖

同時(shí)，分布式鎖也具備一般鎖的以下特性：

1. 互斥性：這是鎖的核心特性，確保在任意時(shí)刻，同一個(gè)鎖只能被一個(gè)進(jìn)程或線程所持有。這種特性對(duì)于確保資源的獨(dú)占訪問(wèn)和防止并發(fā)沖突至關(guān)重要。

2. 一致性：加鎖和釋放鎖的過(guò)程應(yīng)盡量由同一個(gè)線程或進(jìn)程完成，以確保鎖狀態(tài)的一致性，防止因鎖狀態(tài)不一致而導(dǎo)致的錯(cuò)誤或混亂。

3. 可重入性：這意味著已經(jīng)持有鎖的線程或進(jìn)程可以再次獲得同一個(gè)鎖，這在某些情況下是有用的，例如遞歸函數(shù)中的鎖操作。

還有分布式鎖的特性問(wèn)題：

4. 鎖租期問(wèn)題：在分布式鎖的場(chǎng)景中，為避免死鎖或無(wú)法正常釋放，鎖通常設(shè)置有效時(shí)間。當(dāng)有效時(shí)間過(guò)期但業(yè)務(wù)還在執(zhí)行時(shí)，需要通過(guò)特定的機(jī)制（如watchdog）來(lái)續(xù)租，確保鎖的持有者能夠繼續(xù)完成其操作。

5. 性能：避免鎖成為分布式系統(tǒng)的瓶頸。

分布式鎖的主流實(shí)現(xiàn)方案

常見(jiàn)的分布式鎖實(shí)現(xiàn)方案可以分為以下三大類：基于數(shù)據(jù)庫(kù)（比如MySQL），基于緩存（比如 Redis）和基于分布式一致性協(xié)調(diào)服務(wù)組件（比如 ZooKeeper、etcd）

基于數(shù)據(jù)庫(kù)的分布式鎖（以MySQL為例）

要實(shí)現(xiàn)一套基于數(shù)據(jù)庫(kù)的分布式鎖，最簡(jiǎn)單的方式可能就是直接創(chuàng)建一張鎖表，然后通過(guò)操作該表中的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式鎖。

為了更好的演示，我們先創(chuàng)建一張數(shù)據(jù)庫(kù)表，例如：

CREATE TABLE `database_lock` (
  `id` bigint(20) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `resource` int(11) NOT NULL COMMENT '鎖定的資源',
  `desc` varchar(128) NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '描述',
  `create_time` datetime COMMENT '創(chuàng)建時(shí)間', 
  `update_time` datetime COMMENT '更新時(shí)間'
  PRIMARY KEY (`id`),
  UNIQUE KEY `uniq_idx_resource` (`resource`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COMMENT='分布式鎖表';

記錄鎖

1. 獲取鎖：

當(dāng)想要獲取鎖時(shí)，可以插入一條數(shù)據(jù)：

INSERT INTO `database_lock` (resource, desc, create_time, update_time) VALUES (1,'lock',now(), now());

由于表中對(duì)resource設(shè)置了唯一索引，也就存在唯一性約束，這樣如果有多個(gè)請(qǐng)求同時(shí)提交到數(shù)據(jù)庫(kù)的話，數(shù)據(jù)庫(kù)可以保證只有一個(gè)操作成功，那么我們就可以認(rèn)為操作成功的請(qǐng)求獲得了鎖。

2. 占有鎖：

成功獲取鎖后，就可以繼續(xù)操作共享資源了。

3. 釋放鎖：

當(dāng)需要釋放鎖時(shí)，可以刪除這條數(shù)據(jù)：

DELETE FROM database_lock WHERE resource = 1;

以上實(shí)現(xiàn)方式非常簡(jiǎn)單，但是以下幾點(diǎn)需要特別注意：

1. 這種鎖沒(méi)有失效時(shí)間，一旦釋放鎖的操作失敗就會(huì)導(dǎo)致鎖記錄一直存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，鎖無(wú)法釋放，其他線程無(wú)法獲得鎖。這個(gè)缺陷也很好解決，比如可以增加一個(gè)定時(shí)任務(wù)定時(shí)清理未正常釋放的鎖記錄。

2. 這種鎖的可靠性依賴于數(shù)據(jù)庫(kù)。可以設(shè)置備庫(kù)，避免單點(diǎn)，進(jìn)一步提升可靠性。

3. 這種鎖時(shí)非阻塞的，因?yàn)椴迦霐?shù)據(jù)失敗后會(huì)立即報(bào)錯(cuò)，想要獲得鎖就需要再次操作。如果需要阻塞式的，可以通過(guò)For循環(huán)、while循環(huán)模擬，直至成功再返回。

4. 這種鎖時(shí)非可重入的，因?yàn)橥粋€(gè)線程在沒(méi)有釋放鎖之前無(wú)法再次獲得鎖，因?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)存在同一份記錄了。想要實(shí)現(xiàn)可重入，可以在數(shù)據(jù)庫(kù)中添加一些鎖的唯一標(biāo)識(shí)字段，比如 主機(jī)信息、線程信息等，那么再次獲取鎖的時(shí)候可以先查詢數(shù)據(jù)，如果當(dāng)前的主機(jī)信息和線程信息等能被查詢到的話，可以直接分配鎖。

樂(lè)觀鎖

如果數(shù)據(jù)的更新在大多數(shù)情況下是不會(huì)產(chǎn)生沖突的，那么只在數(shù)據(jù)庫(kù)更新操作提交的時(shí)候?qū)?shù)據(jù)作沖突檢測(cè)，如果檢測(cè)的結(jié)果與預(yù)期一致，則獲得鎖，如果出現(xiàn)了與預(yù)期數(shù)據(jù)不一致的情況，則丟棄本次更新。

樂(lè)觀鎖大多數(shù)是基于版本控制實(shí)現(xiàn)的。即給數(shù)據(jù)增加一個(gè)版本標(biāo)識(shí)，比如通過(guò)為數(shù)據(jù)庫(kù)表添加一個(gè)"version"字段來(lái)實(shí)現(xiàn)。

為了更好的理解數(shù)據(jù)庫(kù)樂(lè)觀鎖在實(shí)際項(xiàng)目中的使用，這里就列舉一個(gè)典型的電商庫(kù)存更新的例子。電商平臺(tái)中，當(dāng)用戶提單的時(shí)候就會(huì)對(duì)庫(kù)存進(jìn)行操作（庫(kù)存減1代表已經(jīng)賣(mài)出了一件）。我們將這個(gè)庫(kù)存模型用下面的一張表optimistic_lock來(lái)表述：

CREATE TABLE `optimistic_lock` (
 `id` BIGINT NOT NULL AUTO_INCREMENT,
 `resource` int NOT NULL COMMENT '鎖定的資源',
 `version` int NOT NULL COMMENT '鎖的版本信息',
 `create_time` datetime COMMENT '創(chuàng)建時(shí)間',
 `update_time` datetime COMMENT '更新時(shí)間',
 `delete_time` datetime COMMENT '刪除時(shí)間', 
 PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COMMENT='分布式鎖表-樂(lè)觀鎖';

其中：resource表示具體操作的資源，在這里也就是特指庫(kù)存；version表示版本號(hào)。

在使用樂(lè)觀鎖之前要確保表中有相應(yīng)的數(shù)據(jù)，比如：

INSERT INTO optimistic_lock (resource, version, create_at, update_at) VALUES(20, 10, now(), now());

如果只有一個(gè)線程進(jìn)行操作，數(shù)據(jù)庫(kù)本身就能保證操作的正確性。主要步驟如下：

1. 獲取資源信息：SELECT resource FROM optimistic_lock WHERE id = 1

2. 執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯

3. 提交數(shù)據(jù)：UPDATE optimistic_lock SET resource = resource -1 WHERE id = 1

但是當(dāng)有兩個(gè)用戶同時(shí)購(gòu)買(mǎi)一件商品時(shí)，庫(kù)存實(shí)際操作應(yīng)該是庫(kù)存（resource）減2，但是由于有高并發(fā)的存在，第一個(gè)用戶請(qǐng)求執(zhí)行之后（執(zhí)行了1、2，但是還沒(méi)有完成3），第二個(gè)用戶在購(gòu)買(mǎi)相同的商品（執(zhí)行1），此時(shí)查詢出的庫(kù)存并沒(méi)有完成減1的動(dòng)作，那么最終會(huì)導(dǎo)致2個(gè)線程購(gòu)買(mǎi)的商品卻出現(xiàn)庫(kù)存只減1的情況，最終導(dǎo)致庫(kù)存異常。

在引入了version版本控制之后，具體的操作就會(huì)演變成如下步驟：

1. 獲取資源信息： SELECT resource, version as oldVersion FROM optimistic_lock WHERE id = 1

2. 執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯

3. 更新資源：UPDATE optimistic_lock SET resource = resource -1, version = version + 1 WHERE id = 1 AND version = oldVersion

另外，借助更新時(shí)間戳（update_at）也可以實(shí)現(xiàn)樂(lè)觀鎖，和采用version字段的方式相似：更新操作執(zhí)行前先獲取并記錄當(dāng)前的更新時(shí)間，在提交更新時(shí)，檢測(cè)當(dāng)前更新時(shí)間是否與更新開(kāi)始時(shí)獲取的更新時(shí)間戳相等。

由于在檢測(cè)數(shù)據(jù)沖突時(shí)并不依賴唯一索引，不會(huì)影響請(qǐng)求的性能，在并發(fā)量較小的時(shí)候只有少部分請(qǐng)求會(huì)失敗，適用于競(jìng)爭(zhēng)較少的場(chǎng)景。缺點(diǎn)是當(dāng)應(yīng)用并發(fā)量高的時(shí)候，version值在頻繁變化，則會(huì)導(dǎo)致大量請(qǐng)求失敗，影響系統(tǒng)的可用性。另外，我們通過(guò)上述sql語(yǔ)句還可以看到，數(shù)據(jù)庫(kù)鎖都是作用于同一行數(shù)據(jù)記錄上，這就會(huì)導(dǎo)致熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，在一些特殊場(chǎng)景，如大促、秒殺等活動(dòng)的時(shí)候，大量的請(qǐng)求同時(shí)請(qǐng)求同一條記錄的行鎖，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)生很大的寫(xiě)壓力。所以綜合數(shù)據(jù)庫(kù)樂(lè)觀鎖的優(yōu)缺點(diǎn)，可以看出樂(lè)觀鎖比較適合并發(fā)量不高，寫(xiě)操作不頻繁的場(chǎng)景。

悲觀鎖

我們還可以借助數(shù)據(jù)庫(kù)中自帶的鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式鎖。例如在查詢語(yǔ)句后面增加FOR UPDATE，數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)在查詢過(guò)程中給數(shù)據(jù)庫(kù)表增加悲觀鎖，也稱排他鎖。當(dāng)某條記錄被加上悲觀鎖之后，其它線程也就無(wú)法再該行上增加悲觀鎖。

悲觀鎖，與樂(lè)觀鎖相反，總是假設(shè)最壞的情況，它認(rèn)為數(shù)據(jù)的更新在大多數(shù)情況下是會(huì)產(chǎn)生沖突的。

在使用悲觀鎖的同時(shí)，我們需要注意一下鎖的級(jí)別。MySQL InnoDB引擎在加鎖的時(shí)候，只有明確地指定主鍵(或唯一索引)的才會(huì)執(zhí)行行鎖 (只鎖住被選取的數(shù)據(jù))。 在使用悲觀鎖時(shí)，我們必須關(guān)閉MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的自動(dòng)提交屬性（參考下面的示例），因?yàn)镸ySQL默認(rèn)使用autocommit模式，也就是說(shuō)，當(dāng)你執(zhí)行一個(gè)更新操作后，MySQL會(huì)立刻將結(jié)果進(jìn)行提交。

mysql> SET AUTOCOMMIT = 0;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

這樣在使用FOR UPDATE獲得鎖之后可以執(zhí)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯，執(zhí)行完之后再使用COMMIT來(lái)釋放鎖。

下面通過(guò)前面的database_lock表來(lái)具體表述一下用法。假設(shè)有一線程A需要獲得鎖并執(zhí)行相應(yīng)的操作，那么它的具體步驟如下：

1. 獲取鎖：SELECT * FROM database_lock WHERE id = 1 FOR UPDATE;。

2. 執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯。

3. 釋放鎖：COMMIT。

如果另一個(gè)線程B在線程A釋放鎖之前執(zhí)行步驟1，那么它會(huì)被阻塞，直至線程A釋放鎖之后才能繼續(xù)。注意，如果線程A長(zhǎng)時(shí)間未釋放鎖，那么線程B會(huì)報(bào)錯(cuò)，參考如下（lock wait time可以通過(guò)innodb_lock_wait_timeout來(lái)進(jìn)行配置）：

ERROR 1205 (HY000): Lock wait timeout exceeded; try restarting transaction

注意事項(xiàng)：

1. 上面的示例中演示了指定主鍵并且能查詢到數(shù)據(jù)的過(guò)程（觸發(fā)行鎖），如果查不到數(shù)據(jù)那么也就無(wú)從“鎖”起了。 2. 如果未指定主鍵（或者唯一索引）且能查詢到數(shù)據(jù)，那么就會(huì)觸發(fā)表鎖或間隙鎖，比如步驟1改為執(zhí)行：

SELECT * FROM database_lock WHERE desc='lock' FOR UPDATE;

或者主鍵不明確也會(huì)觸發(fā)表鎖，又比如步驟1改為執(zhí)行：

SELECT * FROM database_lock WHERE id>0 FOR UPDATE;

在悲觀鎖中，每一次行數(shù)據(jù)的訪問(wèn)都是獨(dú)占的，只有當(dāng)正在訪問(wèn)該行數(shù)據(jù)的請(qǐng)求事務(wù)提交以后，其他請(qǐng)求才能依次訪問(wèn)該數(shù)據(jù)，否則將阻塞等待鎖的獲取。悲觀鎖可以嚴(yán)格保證數(shù)據(jù)訪問(wèn)的安全。但是缺點(diǎn)也明顯，即每次請(qǐng)求都會(huì)額外產(chǎn)生加鎖的開(kāi)銷(xiāo)且未獲取到鎖的請(qǐng)求將會(huì)阻塞等待鎖的獲取，在高并發(fā)環(huán)境下，容易造成大量請(qǐng)求阻塞，影響系統(tǒng)性能。另外，悲觀鎖使用不當(dāng)還可能產(chǎn)生死鎖的情況。

小結(jié)

基于以上討論，借助與數(shù)據(jù)庫(kù)自身的能力（唯一索引，數(shù)據(jù)庫(kù)排他鎖），基于數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)分布式鎖還是挺簡(jiǎn)單的。下面對(duì)其實(shí)用性其進(jìn)行簡(jiǎn)單分析：

優(yōu)點(diǎn)：

?實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，容易理解，不需要額外的第三方中間件。

?通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的事務(wù)特性可以確保鎖的原子性、互斥性。

不足：

?性能相對(duì)較低，特別是在高并發(fā)場(chǎng)景下，頻繁的數(shù)據(jù)庫(kù)操作可能導(dǎo)致性能瓶頸。

?需要自己考慮鎖超時(shí)等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為繁瑣。

?依賴本地事務(wù)，不支持集群部署，不能保證高可用。

基于Redis實(shí)現(xiàn)的分布式鎖

方案一：SETNX+EXPIRE

這種是最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式，先通過(guò)setNX或取到鎖，然后通過(guò)expire命令添加超時(shí)時(shí)間。這種方式存在一個(gè)很大的問(wèn)題：這兩個(gè)命令不是原子操作，需要和redis交互兩次，客戶端可能會(huì)在第一個(gè)命令執(zhí)行完之后掛掉，導(dǎo)致沒(méi)有設(shè)置超時(shí)時(shí)間，鎖無(wú)法正常失效。于是產(chǎn)生了以下優(yōu)化方案。

方案二：SETNX+VALUE

這種方式的value值中保存的是客戶端計(jì)算出的過(guò)期時(shí)間，通過(guò)setnx命令一次性寫(xiě)入redis中

public boolean getLock(String key,Long expireTime) {
    long now = System.currentTimeMills();
    //絕對(duì)超時(shí)時(shí)間
    long expireTime = now + expireTime; 
    String expiresStr = String.valueOf(expireTime); 
    // 加鎖成功 
    if ( jedis.setnx(key, expiresStr)==1) { 
        return true; 
    } 
    // 檢查鎖是否過(guò)期，獲取鎖的value 
    String currentValueStr = jedis.get(key); 
    // 如果記錄的過(guò)期時(shí)間小于系統(tǒng)時(shí)間，則表示已過(guò)期 
    if (currentValueStr != null && Long.parseLong(currentValueStr) < now) { 
        // 鎖已過(guò)期，獲取上一個(gè)鎖的過(guò)期時(shí)間，并設(shè)置現(xiàn)在鎖的過(guò)期時(shí)間 
        String oldValueStr = jedis.getSet(key, expiresStr); 
        if (oldValueStr != null && oldValueStr.equals(currentValueStr)) { 
            // 考慮多線程并發(fā)的情況，只有一個(gè)線程的設(shè)置值和當(dāng)前值相同，它才可以加鎖 
            return true; 
        } 
    } 
    //其他情況，均返回加鎖失敗 
    return false;
}

這種方式通過(guò)value將超時(shí)時(shí)間賦值，解決了第一種方案的兩次操作不能保證原子性的問(wèn)題。但是這種方式也有問(wèn)題：

1. 在鎖過(guò)期時(shí)，如果多個(gè)線程同時(shí)來(lái)加鎖，可能會(huì)導(dǎo)致多個(gè)線程都加鎖成功（不滿足互斥性）；

2. 在多個(gè)線程都加鎖成功后，因?yàn)殒i中沒(méi)有加鎖線程的標(biāo)識(shí)，會(huì)導(dǎo)致多個(gè)線程都可以解鎖（不滿足一致性）；

3. 超時(shí)時(shí)間是在客戶端計(jì)算的，不同的客戶端的時(shí)鐘可能會(huì)存在差異，導(dǎo)致在加鎖客戶端沒(méi)有超時(shí)的鎖，在另一個(gè)客戶端已經(jīng)超時(shí)（基于客戶端時(shí)鐘，不滿足一致性）。

方案三：使用Lua腳本

同樣是為了解決第一種方案中的原子性問(wèn)題，我們可以采用Lua腳本，來(lái)保證SETNX+EXPIRE操作的原子性。

if redis.call('setnx',KEYS[1],ARGV[1]) == 1 then 
    redis.call('expire',KEYS[1],ARGV[2])
else
    return 0
end;

在Java代碼中，使用jedis.eval()執(zhí)行加鎖。

public boolean getLock(String key, String value, long expireTime) {  
    String lua_scripts = "if redis.call('setnx', KEYS[1], ARGV[1]) == 1 then " +  
                          "redis.call('expire', KEYS[1], ARGV[2]) " +  
                          "return 1 " +  
                          "else " +  
                          "return 0 " +  
                          "end";  
    List<String> keys = Collections.singletonList(key);  
    List<String> argv = Arrays.asList(value, String.valueOf(expireTime));  
    Long result = (Long) jedis.eval(lua_scripts, keys, argv);  
    return result != null && result == 1;  
}

這種方式可以完全避免在加鎖后中斷設(shè)置不上超時(shí)時(shí)間的問(wèn)題。也不會(huì)存在有時(shí)鐘不一致的問(wèn)題，和高并發(fā)情況下多個(gè)線程都加上鎖的問(wèn)題。但是這種方式就一定沒(méi)有問(wèn)題了嗎？答案是否定的。考慮以下場(chǎng)景：

當(dāng)服務(wù)A加鎖成功后，正在執(zhí)行業(yè)務(wù)的過(guò)程中，鎖過(guò)期啦，這時(shí)服務(wù)A是沒(méi)有感知的；

接著服務(wù)B這時(shí)來(lái)獲取鎖，成功獲取到了；

緊接著，服務(wù)A處理完業(yè)務(wù)了，來(lái)釋放鎖，成功釋放掉了，而服務(wù)B這時(shí)還以為它的鎖還在，在執(zhí)行代碼。

全亂套了有沒(méi)有？以為自己加鎖了，其實(shí)你沒(méi)加；

以為自己解鎖成功了，其實(shí)解的是別人的鎖；

這種方案的問(wèn)題主要是因?yàn)閮牲c(diǎn)：鎖過(guò)期釋放，業(yè)務(wù)沒(méi)處理完；鎖沒(méi)有唯一身份標(biāo)識(shí)。

備注：從Redis 2.6.12版本開(kāi)始支持setNx同時(shí)設(shè)置超時(shí)時(shí)間

如果你想要在設(shè)置key的同時(shí)為其設(shè)置過(guò)期時(shí)間，并希望這是一個(gè)原子操作，你可以考慮使用Redis的 SET 命令，如下所示：

SET mykey "myvalue" NX EX 10  # 設(shè)置mykey的值為myvalue，僅當(dāng)mykey不存在時(shí)，并設(shè)置過(guò)期時(shí)間為10秒

方案四：SET NX PX EX + 唯一標(biāo)識(shí)

對(duì)于誤刪鎖的問(wèn)題，我們可以在加鎖時(shí)，由客戶端生成一個(gè)唯一ID作為value設(shè)置在鎖中，在刪除鎖時(shí)先進(jìn)行身份判斷，再刪除；加鎖邏輯如下：

public boolean getLock(String key,String uniId,Long expireTime) {    
    //加鎖    
    return jedis.set(key, uniId, "NX", "EX", expireTime) == 1;
}
// 解鎖
public boolean releaseLock(String key,String uniId) {    
    // 因?yàn)間et和del操作并不是原子的，所以使用lua腳本    
    String lua_script = "if redis.call('get',KEYS[1]) == ARGV[1] then  return redis.call('del',KEYS[1]) else return 0  end;"; 
    List<String> keys = Collections.singletonList(key); 
    List<String> argv = Arrays.asList(uuiId);  
    Object result = jedis.eval(lua_scripts, keys, argv);    
    return result !=null && result.equals(1L);
}

這種方式解決了鎖被誤刪的問(wèn)題，但是同樣存在鎖超時(shí)失效，但是業(yè)務(wù)還未處理完的問(wèn)題。

方案五：Redission框架

那么對(duì)于鎖過(guò)期失效，業(yè)務(wù)未處理完畢的問(wèn)題，該如何處理呢？

我們可以在加鎖成功后，啟動(dòng)一個(gè)守護(hù)線程，在守護(hù)線程中隔一段時(shí)間就對(duì)鎖的超時(shí)時(shí)間再續(xù)長(zhǎng)一點(diǎn)，直到業(yè)務(wù)處理完成后再釋放鎖，防止鎖在業(yè)務(wù)處理完畢之前提前釋放。而Redission框架就是使用的這種機(jī)制來(lái)解決的這個(gè)問(wèn)題。

1. 當(dāng)一個(gè)線程去獲取鎖，在加鎖成功的情況下，那么它已經(jīng)通過(guò)Lua腳本將數(shù)據(jù)保存在了redis中；

2. 然后在加鎖成功的同時(shí)，啟動(dòng)Watch Dog看門(mén)狗，每隔10秒檢查是否還持有鎖，如果是則將鎖超時(shí)時(shí)間延長(zhǎng)。

3. 如果一開(kāi)始就獲取鎖失敗，則會(huì)一直循環(huán)獲取。

方案六：RedLock

以上的這些方案，都只是在Redis單機(jī)模式下討論的方案，如果Redis是采用集群模式，還會(huì)存在一些問(wèn)題，比如：

在集群模式下，一般Master節(jié)點(diǎn)會(huì)將數(shù)據(jù)同步到Salve節(jié)點(diǎn)，如果我們先在Master節(jié)點(diǎn)上加鎖成功，在同步到Salve節(jié)點(diǎn)之前，這個(gè)Master節(jié)點(diǎn)掛了，然后另一臺(tái)Salve節(jié)點(diǎn)升級(jí)為Master節(jié)點(diǎn)，這時(shí)這個(gè)節(jié)點(diǎn)上并沒(méi)有我們的加鎖數(shù)據(jù)；

此時(shí)另一個(gè)客戶端線程來(lái)獲取相同的鎖，它就會(huì)獲取成功，這時(shí)在我們的應(yīng)用中將會(huì)有兩個(gè)線程同時(shí)獲取到這個(gè)鎖，這個(gè)鎖也就不安全了。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，Redis的作者提出了一種高級(jí)的分布式鎖算法，叫：RedLock，即：Redis Distributed Lock, Redis分布式鎖。

RedLock的核心原理：

?在Redis集群中選出多個(gè)Master節(jié)點(diǎn)，保證這些Master節(jié)點(diǎn)不會(huì)同時(shí)宕機(jī)；

?并且各個(gè)Master節(jié)點(diǎn)之間相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)不同步；

?使用與Redis單實(shí)例相同的方法來(lái)加鎖和解鎖。

那么RedLock到底是如何來(lái)保證在有節(jié)點(diǎn)宕機(jī)的情況下，還能安全的呢？

1.假設(shè)集群中有N臺(tái)Master節(jié)點(diǎn)，首先，獲取當(dāng)前時(shí)間戳；

2.客戶端按照順序使用相同的key，value依次獲取鎖，并且獲取時(shí)間要比鎖超時(shí)時(shí)間足夠小；比如超時(shí)時(shí)間5s,那么獲取鎖時(shí)間最多1s，超過(guò)1s則放棄，繼續(xù)獲取下一個(gè)；

3.客戶端通過(guò)獲取所有能獲取的鎖之后減去第一步的時(shí)間戳，這個(gè)時(shí)間差要小于鎖超時(shí)時(shí)間，并且要至少有N/2 + 1臺(tái)節(jié)點(diǎn)獲取成功，才表示鎖獲取成功，否則獲取失敗；

4.如果成功獲取鎖，則鎖的有效時(shí)間是原本超時(shí)時(shí)間減去第三步的時(shí)間差；

5.如果獲取鎖失敗，則要解鎖所有的節(jié)點(diǎn)，不管該節(jié)點(diǎn)加鎖時(shí)是否成功，防止有漏網(wǎng)之魚(yú)。

Redssion庫(kù)對(duì)RedLock方案已經(jīng)做了實(shí)現(xiàn)，如果你的Redis是集群部署，可以看看使用方法。

參考文檔：https://redis.io/topics/distlock

小結(jié)

優(yōu)點(diǎn)：

?實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，性能較高。

?可以利用Redis的集群特性實(shí)現(xiàn)高可用性和可擴(kuò)展性。

?有現(xiàn)成的第三方包和工具支持，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)：

?如果Redis節(jié)點(diǎn)故障，可能導(dǎo)致鎖失效或死鎖。

?RedLock算法雖然提高了容錯(cuò)性，但增加了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性和開(kāi)銷(xiāo)。

基于Zookeeper等實(shí)現(xiàn)的分布式鎖

zookeeper 鎖相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)

zk 一般由多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成（單數(shù)），采用 zab 一致性協(xié)議。因此可以將 zk 看成一個(gè)單點(diǎn)結(jié)構(gòu)，對(duì)其修改數(shù)據(jù)其內(nèi)部自動(dòng)將所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改而后才提供查詢服務(wù)。zk 的數(shù)據(jù)以目錄樹(shù)的形式，每個(gè)目錄稱為 znode，znode 中可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)（一般不超過(guò) 1M），還可以在其中增加子節(jié)點(diǎn)。

znode節(jié)點(diǎn)有三種類型。序列化節(jié)點(diǎn)，每在該節(jié)點(diǎn)下增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)給該節(jié)點(diǎn)的名稱上添加序號(hào)并且自增1。臨時(shí)節(jié)點(diǎn)，一旦創(chuàng)建這個(gè) znode 的客戶端與服務(wù)器失去聯(lián)系，這個(gè) znode 也將自動(dòng)刪除。最后就是普通節(jié)點(diǎn)。

Watch 機(jī)制，client 可以監(jiān)控每個(gè)節(jié)點(diǎn)的變化，當(dāng)產(chǎn)生變化時(shí) client 會(huì)接受到一個(gè)事件通知。

zk 基本鎖

原理：利用臨時(shí)節(jié)點(diǎn)與 watch 機(jī)制。每個(gè)鎖占用一個(gè)普通節(jié)點(diǎn) /lock，當(dāng)需要獲取鎖時(shí)在 /lock 目錄下創(chuàng)建一個(gè)臨時(shí)節(jié)點(diǎn)，創(chuàng)建成功則表示獲取鎖成功，失敗則 watch/lock 節(jié)點(diǎn)，有刪除操作后再去爭(zhēng)鎖。臨時(shí)節(jié)點(diǎn)好處在于當(dāng)進(jìn)程掛掉后能自動(dòng)上鎖的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)刪除即取消鎖。

缺點(diǎn)：所有取鎖失敗的進(jìn)程都監(jiān)聽(tīng)父節(jié)點(diǎn)，很容易發(fā)生羊群效應(yīng)，即當(dāng)釋放鎖后所有等待進(jìn)程一起來(lái)創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，并發(fā)量很大，增加zk集群壓力。

zk 鎖優(yōu)化

原理：上鎖改為創(chuàng)建臨時(shí)有序節(jié)點(diǎn)，每個(gè)上鎖的節(jié)點(diǎn)均能創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)成功，只是其序號(hào)不同。只有序號(hào)最小的可以擁有鎖，如果這個(gè)節(jié)點(diǎn)序號(hào)不是最小的則 watch 序號(hào)比本身小的前一個(gè)節(jié)點(diǎn) (公平鎖)。

步驟：

?在 /lock 節(jié)點(diǎn)下創(chuàng)建一個(gè)有序臨時(shí)節(jié)點(diǎn) (EPHEMERAL_SEQUENTIAL)。

?判斷創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)序號(hào)是否最小，如果是最小則獲取鎖成功。不是則獲取鎖失敗，然后 watch 序號(hào)比本身小的前一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

?當(dāng)取鎖失敗，設(shè)置 watch 后則等待 watch 事件到來(lái)后，再次判斷是否序號(hào)最小。

?取鎖成功則執(zhí)行代碼，最后釋放鎖（刪除該節(jié)點(diǎn)）。

參考代碼：

@Slf4j
public class DistributedLock implements Lock, Watcher{
     /**
      * zk客戶端
      */
      private ZooKeeper zk;
     /**
     * 根目錄
     */
     private final String root = "/locks";
     /**
     * 鎖名稱
     */
     private final String lockName;

     /**
     * 等待前一個(gè)鎖
     */
     private String waitNode;

     /**
     * 當(dāng)前鎖
     */
     private String myZnode;
     /**
     * 計(jì)數(shù)器
     */
     private CountDownLatch latch;
     /**
     * 會(huì)話超時(shí)時(shí)間
     */
     private final int sessionTimeout = 30000;
     /**
     * 異常列表
     */
     private final List<Exception> exception = new ArrayList<>();

     /**
     * 創(chuàng)建分布式鎖
     * @param config 服務(wù)器配置
     * @param lockName 競(jìng)爭(zhēng)資源標(biāo)志,lockName中不能包含單詞lock
     */
     public DistributedLock(String config, String lockName){
         this.lockName = lockName;
         // 創(chuàng)建與服務(wù)器的連接
         try {
             zk = new ZooKeeper(config, sessionTimeout, this);
             Stat stat = zk.exists(root, false);
             if(stat == null){
                 // 創(chuàng)建根節(jié)點(diǎn)
                 zk.create(root, new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.PERSISTENT);
             }
         } catch (IOException | KeeperException | InterruptedException e) {
              exception.add(e);
         }
     }

    /**
     * zookeeper節(jié)點(diǎn)的監(jiān)視器
     */
     @Override
     public void process(WatchedEvent event) {
         if(this.latch != null) {
             this.latch.countDown();
         }
     }

     @Override
     public void lock() {
         if(!exception.isEmpty()){
              throw new LockException(exception.get(0));
         }
         try {
             if(this.tryLock()){
                 log.info("Thread " + Thread.currentThread().getId() + " " +myZnode + " get lock true");
             } else{
                 //等待鎖
                 waitForLock(waitNode, sessionTimeout);
             }
         } catch (KeeperException | InterruptedException e) {
             throw new LockException(e);
         }
     }

     @Override
     public boolean tryLock() {
         try {
             String splitStr = "_lock_";
             if(lockName.contains(splitStr)) {
                 throw new LockException("lockName can not contains \\u000B");
         }
         //創(chuàng)建臨時(shí)有序子節(jié)點(diǎn)
         myZnode = zk.create(root + "/" + lockName + splitStr, new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
         log.info(myZnode + " is created ");
         //取出所有子節(jié)點(diǎn)
         List<String> subNodes = zk.getChildren(root, false);
         //取出所有l(wèi)ockName的鎖
         List<String> lockObjNodes = new ArrayList<String>();
         for (String node : subNodes) {
             String _node = node.split(splitStr)[0];
             if(_node.equals(lockName)){
                 lockObjNodes.add(node);
             }
         }
         Collections.sort(lockObjNodes);
         log.info("myZnode={} minZnode={}", myZnode, lockObjNodes.get(0));
         if(myZnode.equals(root+"/"+lockObjNodes.get(0))){
             //如果是最小的節(jié)點(diǎn),則表示取得鎖
             return true;
         }
         //如果不是最小的節(jié)點(diǎn)，找到比自己小1的節(jié)點(diǎn)
         String subMyZnode = myZnode.substring(myZnode.lastIndexOf("/") + 1);
         waitNode = lockObjNodes.get(Collections.binarySearch(lockObjNodes, subMyZnode) - 1);
         } catch (KeeperException | InterruptedException e) {
             throw new LockException(e);
         }
         return false;
     }

     @Override
     public boolean tryLock(long time,@NonNull TimeUnit unit) {
         try {
             if(this.tryLock()){
                 return true;
             }
             return waitForLock(waitNode,time);
         } catch (Exception e) {
             log.error("tryLock exception:", e);
         }
         return false;
     }

     /**
     * @param lower 監(jiān)視節(jié)點(diǎn)
     * @param waitTime 等待超時(shí)時(shí)間
     * @return 是否獲得鎖
     * @throws InterruptedException
     * @throws KeeperException
     */
      private boolean waitForLock(String lower, long waitTime) throws InterruptedException, KeeperException {
          Stat stat = zk.exists(root + "/" + lower,true);
          //判斷比自己小一個(gè)數(shù)的節(jié)點(diǎn)是否存在,如果不存在則無(wú)需等待鎖,同時(shí)注冊(cè)監(jiān)聽(tīng)
          if(stat != null){
             log.info("Thread " + Thread.currentThread().getId() + " waiting for " + root + "/" + lower);
             this.latch = new CountDownLatch(1);
             this.latch.await(waitTime, TimeUnit.MILLISECONDS);
             this.latch = null;
          }
          return true;
     }


      /**
      * 解鎖方法
      * @throws InterruptedException 線程中斷異常
      * @throws KeeperException ZooKeeper異常
      */
      @Override
      public void unlock() {
          try {
              log.info("unlock " + myZnode);
              zk.delete(myZnode,-1);
              myZnode = null;
              zk.close();
         } catch (InterruptedException | KeeperException e) {
             log.error("unlock exception:", e);
         }
     }

     @Override
     public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
          this.lock();
     }

     @Override
     public Condition newCondition() {
         return null;
     }

     /**
     * 自定義鎖異常
     */
     public static class LockException extends RuntimeException {
         private static final long serialVersionUID = 1L;

         /**
         * @param e 異常
         */
         public LockException(String e){
             super(e);
         }

         /**
         * @param e 異常
         */
         public LockException(Exception e){
             super(e);
         }
     }
}

小結(jié)

優(yōu)點(diǎn)：

?有效的解決單點(diǎn)問(wèn)題，不可重入問(wèn)題，非阻塞問(wèn)題以及鎖無(wú)法釋放的問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為簡(jiǎn)單。

?具有良好的順序性和公平性，可以有效的避免死鎖和競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。

?支持高可用，容錯(cuò)性較好，通過(guò)zookeeper集群可以確保鎖的可靠性和強(qiáng)一致性。

?有現(xiàn)成的第三方包和工具支持，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單。

不足：

?性能相對(duì)較低，ZK中創(chuàng)建和刪除節(jié)點(diǎn)只能通過(guò) Leader 服務(wù)器來(lái)執(zhí)行，然后將數(shù)據(jù)同步到所有的 Follower 機(jī)器上。

?需要維護(hù)ZooKeeper集群，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和維護(hù)成本。

?在高并發(fā)場(chǎng)景下，頻繁的鎖操作可能導(dǎo)致ZooKeeper集群成為性能瓶頸。

分布式鎖的應(yīng)用

分布式鎖的應(yīng)用場(chǎng)景

分布式鎖在分布式系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.共享資源競(jìng)爭(zhēng)：當(dāng)多個(gè)進(jìn)程或線程嘗試同時(shí)訪問(wèn)或修改共享資源時(shí)，為了避免數(shù)據(jù)沖突和不一致，可以使用分布式鎖來(lái)確保同一時(shí)刻只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以訪問(wèn)資源。這在多機(jī)器或多節(jié)點(diǎn)的分布式系統(tǒng)中尤為重要，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的單機(jī)并發(fā)控制策略可能不再適用。

2.效率性：使用分布式鎖可以避免不同節(jié)點(diǎn)或進(jìn)程重復(fù)執(zhí)行相同的任務(wù)或操作。例如，在任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)中，如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)都嘗試執(zhí)行同一任務(wù)，通過(guò)使用分布式鎖，可以確保只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行該任務(wù)，從而提高系統(tǒng)的整體效率。

3.特殊業(yè)務(wù)場(chǎng)景：在電商業(yè)務(wù)中，分布式鎖常用于處理高并發(fā)場(chǎng)景下的資源競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。例如，在扣減庫(kù)存或防止流量過(guò)載時(shí)，通過(guò)分布式鎖可以確保操作的原子性和一致性。此外，秒殺搶購(gòu)、優(yōu)惠券領(lǐng)取等場(chǎng)景也常利用分布式鎖來(lái)確保數(shù)據(jù)的一致性。

4.微服務(wù)架構(gòu)：在微服務(wù)架構(gòu)的系統(tǒng)中，分布式鎖發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。特別是在金融支付系統(tǒng)等對(duì)一致性要求極高的場(chǎng)景中，分布式鎖被廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)各種特殊需求，確保操作的原子性、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。

總的來(lái)說(shuō)，分布式鎖的主要應(yīng)用場(chǎng)景涉及需要確保數(shù)據(jù)一致性、防止數(shù)據(jù)沖突和提高系統(tǒng)效率的場(chǎng)景。通過(guò)使用分布式鎖，可以在分布式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更精細(xì)化的控制和協(xié)調(diào)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

選型分析

根據(jù)以上實(shí)現(xiàn)原理的分析，選擇哪種分布式鎖方案取決于具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求。對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)景和對(duì)性能要求不高的系統(tǒng)，基于MySQL的分布式鎖可能是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。對(duì)于高并發(fā)、高性能要求的系統(tǒng)，基于Redis的分布式鎖可能更合適。而如果需要確保鎖的公平性和一致性，并且對(duì)性能要求不是特別高，那么基于ZooKeeper的分布式鎖可能是一個(gè)更好的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要根據(jù)系統(tǒng)的具體情況和需求進(jìn)行權(quán)衡和選擇。

關(guān)于布式鎖互斥性的進(jìn)一步討論

經(jīng)過(guò)以探討，我們可以得出一個(gè)結(jié)論：基于單機(jī)模式的MySQL、Redis以及ZooKeeper集群，均能夠嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)分布式鎖，從而確保鎖的互斥性。這里之所以強(qiáng)調(diào)鎖的互斥性，是因?yàn)樗_保了同一時(shí)刻僅有一個(gè)進(jìn)程或線程能夠訪問(wèn)特定的共享資源，從而避免了數(shù)據(jù)沖突和不一致性的發(fā)生。

然而，當(dāng)我們轉(zhuǎn)向MySQL主從模式或Redis主從模式時(shí)，情況便發(fā)生了變化。這些模式在保障鎖的互斥性方面存在明顯的不足。要深入探究這一現(xiàn)象的根源，我們不得不提及分布式領(lǐng)域中的一個(gè)關(guān)鍵理論——CAP理論。

從鎖的定義和特性出發(fā)，我們知道，在獲取鎖的過(guò)程中，需要一個(gè)全局可見(jiàn)的標(biāo)識(shí)。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程或線程成功獲取鎖后，該標(biāo)識(shí)會(huì)被設(shè)置并變得全局可見(jiàn)，這樣其他線程就無(wú)法突破鎖的互斥性限制，確保鎖的互斥性得到維護(hù)。而這一切的前提，便是數(shù)據(jù)必須保持一致性。

然而，主從模式更傾向于保障可用性和分區(qū)容忍性，即AP模型，這在一定程度上犧牲了數(shù)據(jù)的一致性。相比之下，ZooKeeper集群則采用了CP模型，即保證一致性和分區(qū)容忍性。因此，在分布式環(huán)境下，ZooKeeper集群能夠確保數(shù)據(jù)的一致性，從而確保鎖的互斥性得到嚴(yán)格保障。

綜上所述，在分布式系統(tǒng)中，確保鎖的互斥性至關(guān)重要。我們?cè)谶x擇和設(shè)計(jì)分布式鎖時(shí)，必須充分考慮其互斥性保障能力，并結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景和需求，選擇最合適的實(shí)現(xiàn)方案。當(dāng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景需要高可靠性的分布式鎖時(shí)，ZooKeeper集群因其出色的數(shù)據(jù)一致性保障能力，自然成為了一個(gè)更加值得考慮的優(yōu)秀選擇。

分布式鎖的挑戰(zhàn)

雖然分布式鎖為分布式系統(tǒng)帶來(lái)了諸多好處，但在實(shí)際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)：

1.性能問(wèn)題：分布式鎖的獲取和釋放需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信，這可能會(huì)引入額外的性能開(kāi)銷(xiāo)。在高并發(fā)場(chǎng)景下，如果大量進(jìn)程或線程爭(zhēng)用同一個(gè)鎖，可能導(dǎo)致性能瓶頸。

2.可靠性問(wèn)題：分布式鎖的可靠性受到網(wǎng)絡(luò)、硬件、軟件等多方面因素的影響。如果鎖服務(wù)出現(xiàn)故障或網(wǎng)絡(luò)中斷，可能導(dǎo)致死鎖或數(shù)據(jù)不一致等問(wèn)題。

3.可擴(kuò)展性問(wèn)題：隨著分布式系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，如何確保分布式鎖的可擴(kuò)展性成為一個(gè)重要問(wèn)題。需要設(shè)計(jì)合理的分布式鎖策略，以適應(yīng)不同規(guī)模和需求的系統(tǒng)。

本文主要討論了分布式鎖的原理和不同的實(shí)現(xiàn)方案，有基于數(shù)據(jù)庫(kù)，Redis和ZooKeeper三種選擇，并且各有優(yōu)缺點(diǎn)。項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中根據(jù)自己實(shí)際的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，選擇適合自己項(xiàng)目的方案。

文章中難免會(huì)有不足之處，希望讀者能給予寶貴的意見(jiàn)和建議。謝謝！

參考文檔

https://cloud.tencent.com/developer/article/1909596

https://zhuanlan.zhihu.com/p/42056183