分布式锁的实现

Posted 2020-12-05 lujiango

1. 背景

目前几乎很多大型网站及应用都是分布式部署的，分布式场景中的数据一致性问题一直是一个比较重要的话题。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。

在很多场景中，为了保证数据的最终一致性，需要很多的技术方案来支持，比如分布式事务、分布式锁等。有的时候，需要保证一个方法在同一时间内只能被同一个线程执行。在单机环境中，Java中其实提供了很多并发处理的相关的API，但是这些API在分布式场景中就无能为力。单纯的Java API并不能提供分布式锁的实现。目前比较常见的有以下几种方案：

• 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

分布式需要具有如下的特性：

1. 可以保证在分布式部署的应用集群中，同一个方法在同一时间只能被一台机器上的一个线程执行；
2. 锁钥匙可重入锁（避免死锁）；
3. 锁最好是一把阻塞锁（根据业务需求考虑要不要这条）；
4. 有高可用的获取锁和释放锁功能；
5. 获取锁和释放锁的性能要好；

2. 基于数据库实现分布式锁

2.1 基于数据库表

要实现分布式锁，最简单的方式可能就是直接创建一张锁表，然后通过操作该表的数据来实现。

当锁住某个方法或资源时，就在该表中增加一条记录，想要释放锁的时候就删除这条记录。

创建这样一张数据库表：

想要锁住某个方法时，执行以下SQL：

因为method_name是唯一索引，如果有多个请求同时提交到时数据库的话，数据库会保证只有一个操作可以成功，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。

当方法执行完毕周后，想要释放锁的话，需要执行以下SQL：

上面这种简单的实现有以下几个问题：

1. 这把锁强依赖数据库的可用性，数据库是一个单点，一旦数据库挂掉，会导致业务系统不可用；
2. 这把锁没有失效时间，一旦解锁操作失败，就会导致锁记录一直在数据库中，其他线程无法再获得到锁；
3. 这把锁只能是非阻塞的，因此数据的insert操作，一旦插入失败就会直接报错，没有获得锁的线程并不会进入排队队列，要想再次获得锁就要再次触发获得锁操作；
4. 这把锁是非重入的，同一线程在没有释放锁之前无法再次获得该锁，因为数据中数据已经存在了。

当然可以有其他方式解决上面的问题：

1. 数据库时单点：搞两个数据库，数据直接双向同步，一旦挂掉快速切换到备库上；
2. 没有失效时间：做一个定时任务，每隔一定时间把数据库中的超时数据清理一遍；
3. 非阻塞锁：搞一个while循环，直到insert成功在返回成功；
4. 非重入锁：在数据库表中加个字段，记录当前获得锁的机器的主机信息和线程信息，那么下次再获取锁的时候先查询数据库，如果当前机器的主机信息和线程信息在数据库可以查到的话，直接把锁分配给他就可以了。

2.2 基于数据库排他锁

除了可以通过增删操作数据库表中的记录之外，其实还可以借助数据库中自带的锁来实现分布式锁。

可以通过数据库的排他锁来实现分布式锁，基于mysql的InnoDB引擎，可以使用一下方法来实现加锁操作：

在查询语句后面增加for update，数据库会在查询过程中给数据库表增加排他锁，当某条记录被加上排他锁之后，其他线程无法再在该行记录上增加排他锁。

（备注：InnoDB引擎在加锁的时候，只有通过索引进行检索的时候才会使用行级锁，否则会使用表级锁。我们希望使用行级锁，就要给method_name添加索引，值得注意的是，这个索引一定要创建成唯一索引，否则会出现多个重载方法之间无法同时被访问的问题，重载方法的话，建议把参数类型也加上）

可以认为获得排他锁的线程即可获得分布式锁，当获取到锁之后，可以执行方法的业务逻辑，执行完方法之后，在通过以下方法解锁。

通过connection.commit()操作来释放锁。

这种方法可以有效的解决上面提到定位无法释放锁和阻塞锁的问题。

• 阻塞锁：for update语句会在执行成功后立刻返回，在执行失败时一直处于阻塞状态，直到成功；
• 锁定之后服务宕机，无法释放：使用这种方式，服务宕机之后数据库会自己把锁释放掉。

但是还是无法直接解决数据库单点和可重入问题。

3. 基于缓存实现分布式锁

相比于基于数据库实现分布式锁的方案来说，基于缓存来实现在性能方面会表现的更好一点，而且很多缓存是可以集群部署的，可以解决单点问题。

目前有很多成熟的缓存产品，包括Redis，memcached，tair。

以tair为例来分析使用缓存实现分布式锁的方案。

以上实现同样存在几个问题：

1. 这把锁没有失效时间，一旦解锁操作失败，就会导致锁记录一直在tair中，其他线程无法再获得锁；
2. 这把锁只能是非阻塞的，无论成功还是失败都直接返回；
3. 这把锁是非重入的，一个线程获得锁之后，在释放锁之前，无法再次获得该锁，因为使用到的key在tair中已经存在，无法再执行put操作。

4. 基于zookeeper实现分布式锁