阿里JAVA面试题剖析：一般实现分布式锁都有哪些方式？使用 Redis 如何设计分布式锁？

Posted 2021-02-15

面试原题

一般实现分布式锁都有哪些方式？使用 redis 如何设计分布式锁？使用 zk 来设计分布式锁可以吗？这两种分布式锁的实现方式哪种效率比较高？

面试官心理分析

其实一般问问题，都是这么问的，先问问你 zk，然后其实是要过度到 zk 关联的一些问题里去，比如分布式锁。因为在分布式系统开发中，分布式锁的使用场景还是很常见的。

面试题剖析

Redis 分布式锁

官方叫做 RedLock 算法，是 Redis 官方支持的分布式锁算法。

这个分布式锁有 3 个重要的考量点：

• 互斥（只能有一个客户端获取锁）

• 不能死锁

• 容错（只要大部分 redis 节点创建了这把锁就可以）

Redis 最普通的分布式锁

第一个最普通的实现方式，就是在 redis 里创建一个 key，这样就算加锁。

SETmy:lock随机值NXPX30000

执行这个命令就 ok。

• NX：表示只有 key 不存在的时候才会设置成功。（如果此时 redis 中存在这个 key，那么设置失败，返回 nil）

• PX 30000：意思是 30s 后锁自动释放。别人创建的时候如果发现已经有了就不能加锁了。

释放锁就是删除 key ，但是一般可以用 lua 脚本删除，判断 value 一样才删除：

-- 删除锁的时候，找到 key 对应的 value，跟自己传过去的 value 做比较，如果是一样的才删除。

if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then

          return redis.call("del",KEYS[1])

else

           return 0

end

为啥要用随机值呢？因为如果某个客户端获取到了锁，但是阻塞了很长时间才执行完，比如说超过了 30s，此时可能已经自动释放锁了，此时可能别的客户端已经获取到了这个锁，要是你这个时候直接删除 key 的话会有问题，所以得用随机值加上面的 lua 脚本来释放锁。

但是这样是肯定不行的。因为如果是普通的 redis 单实例，那就是单点故障。或者是 redis 普通主从，那 redis 主从异步复制，如果主节点挂了（key 就没有了），key 还没同步到从节点，此时从节点切换为主节点，别人就可以 set key，从而拿到锁。

RedLock 算法

这个场景是假设有一个 redis cluster，有 5 个 redis master 实例。然后执行如下步骤获取一把锁：

获取当前时间戳，单位是毫秒；

跟上面类似，轮流尝试在每个 master 节点上创建锁，过期时间较短，一般就几十毫秒；

尝试在大多数节点上建立一个锁，比如 5 个节点就要求是 3 个节点 n / 2 + 1；

客户端计算建立好锁的时间，如果建立锁的时间小于超时时间，就算建立成功了；

要是锁建立失败了，那么就依次之前建立过的锁删除；

只要别人建立了一把分布式锁，你就得不断轮询去尝试获取锁。

zk 分布式锁

zk 分布式锁，其实可以做的比较简单，就是某个节点尝试创建临时 znode，此时创建成功了就获取了这个锁；这个时候别的客户端来创建锁会失败，只能注册个监听器监听这个锁。释放锁就是删除这个 znode，一旦释放掉就会通知客户端，然后有一个等待着的客户端就可以再次重新加锁。

/**

* ZooKeeperSession

*

* @author bingo

* @since 2018/11/29

*

*/

public class ZooKeeperSession {

    private static CountDownLatch connectedSemaphore = new CountDownLatch(1);

    private ZooKeeper zookeeper;

    private CountDownLatch latch;

    public ZooKeeperSession() {

        try {

            this.zookeeper = new ZooKeeper("192.168.31.187:2181,192.168.31.19:2181,192.168.31.227:2181", 50000, new ZooKeeperWatcher());

            try {

                connectedSemaphore.await();

            } catch (InterruptedException e) {

                e.printStackTrace();

            }

            System.out.println("ZooKeeper session established......");

        } catch (Exception e) {

            e.printStackTrace();

        }

    }

    /**

    * 获取分布式锁

    *

    * @param productId

    */

    public Boolean acquireDistributedLock(Long productId) {

        String path = "/product-lock-" + productId;

        try {

            zookeeper.create(path, "".getBytes(), Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL);

            return true;

        } catch (Exception e) {

            while (true) {

                try {

                    // 相当于是给node注册一个监听器，去看看这个监听器是否存在

                    Stat stat = zk.exists(path, true);

                    if (stat != null) {

                        this.latch = new CountDownLatch(1);

                        this.latch.await(waitTime, TimeUnit.MILLISECONDS);

                        this.latch = null;

                    }

                    zookeeper.create(path, "".getBytes(), Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL);

                    return true;

                } catch (Exception ee) {

                    continue;

                }

            }

        }

        return true;

    }

    /**

    * 释放掉一个分布式锁

    *

    * @param productId

    */

    public void releaseDistributedLock(Long productId) {

        String path = "/product-lock-" + productId;

        try {

            zookeeper.delete(path, -1);

            System.out.println("release the lock for product[id=" + productId + "]......");

        } catch (Exception e) {

            e.printStackTrace();

        }

    }

    /**

    * 建立zk session的watcher

    *

    * @author bingo

    * @since 2018/11/29

    *

    */

    private class ZooKeeperWatcher implements Watcher {

        public void process(WatchedEvent event) {

            System.out.println("Receive watched event: " + event.getState());

            if (KeeperState.SyncConnected == event.getState()) {

                connectedSemaphore.countDown();

            }

            if (this.latch != null) {

                this.latch.countDown();

            }

        }

    }

    /**

    * 封装单例的静态内部类

    *

    * @author bingo

    * @since 2018/11/29

    *

    */

    private static class Singleton {

        private static ZooKeeperSession instance;

        static {

            instance = new ZooKeeperSession();

        }

        public static ZooKeeperSession getInstance() {

            return instance;

        }

    }

    /**

    * 获取单例

    *

    * @return

    */

    public static ZooKeeperSession getInstance() {

        return Singleton.getInstance();

    }

    /**

    * 初始化单例的便捷方法

    */

    public static void init() {

        getInstance();

    }

}

也可以采用另一种方式，创建临时顺序节点：

如果有一把锁，被多个人给竞争，此时多个人会排队，第一个拿到锁的人会执行，然后释放锁；后面的每个人都会去监听排在自己前面的那个人创建的 node 上，一旦某个人释放了锁，排在自己后面的人就会被 zookeeper 给通知，一旦被通知了之后，就 ok 了，自己就获取到了锁，就可以执行代码了。

public class ZooKeeperDistributedLock implements Watcher {

    private ZooKeeper zk;

    private String locksRoot = "/locks";

    private String productId;

    private String waitNode;

    private String lockNode;

    private CountDownLatch latch;

    private CountDownLatch connectedLatch = new CountDownLatch(1);

    private int sessionTimeout = 30000;

    public ZooKeeperDistributedLock(String productId) {

        this.productId = productId;

        try {

            String address = "192.168.31.187:2181,192.168.31.19:2181,192.168.31.227:2181";

            zk = new ZooKeeper(address, sessionTimeout, this);

            connectedLatch.await();

        } catch (IOException e) {

            throw new LockException(e);

        } catch (KeeperException e) {

            throw new LockException(e);

        } catch (InterruptedException e) {

            throw new LockException(e);

        }

    }

    public void process(WatchedEvent event) {

        if (event.getState() == KeeperState.SyncConnected) {

            connectedLatch.countDown();

            return;

        }

        if (this.latch != null) {

            this.latch.countDown();

        }

    }

    public void acquireDistributedLock() {

        try {

            if (this.tryLock()) {

                return;

            } else {

                waitForLock(waitNode, sessionTimeout);

            }

        } catch (KeeperException e) {

            throw new LockException(e);

        } catch (InterruptedException e) {

            throw new LockException(e);

        }

    }

    public boolean tryLock() {

        try {

    // 传入进去的locksRoot + “/” + productId

    // 假设productId代表了一个商品id，比如说1

    // locksRoot = locks

    // /locks/10000000000，/locks/10000000001，/locks/10000000002

            lockNode = zk.create(locksRoot + "/" + productId, new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);

            // 看看刚创建的节点是不是最小的节点

    // locks：10000000000，10000000001，10000000002

            List<String> locks = zk.getChildren(locksRoot, false);

            Collections.sort(locks);

            if(lockNode.equals(locksRoot+"/"+ locks.get(0))){

                //如果是最小的节点,则表示取得锁

                return true;

            }

            //如果不是最小的节点，找到比自己小1的节点

  int previousLockIndex = -1;

            for(int i = 0; i < locks.size(); i++) {

if(lockNode.equals(locksRoot + “/” + locks.get(i))) {

            previousLockIndex = i - 1;

    break;

}

  }

  this.waitNode = locks.get(previousLockIndex);

        } catch (KeeperException e) {

            throw new LockException(e);

        } catch (InterruptedException e) {

            throw new LockException(e);

        }

        return false;

    }

    private boolean waitForLock(String waitNode, long waitTime) throws InterruptedException, KeeperException {

        Stat stat = zk.exists(locksRoot + "/" + waitNode, true);

        if (stat != null) {

            this.latch = new CountDownLatch(1);

            this.latch.await(waitTime, TimeUnit.MILLISECONDS);

            this.latch = null;

        }

        return true;

    }

    public void unlock() {

        try {

            // 删除/locks/10000000000节点

            // 删除/locks/10000000001节点

            System.out.println("unlock " + lockNode);

            zk.delete(lockNode, -1);

            lockNode = null;

            zk.close();

        } catch (InterruptedException e) {

            e.printStackTrace();

        } catch (KeeperException e) {

            e.printStackTrace();

        }

    }

    public class LockException extends RuntimeException {

        private static final long serialVersionUID = 1L;

        public LockException(String e) {

            super(e);

        }

        public LockException(Exception e) {

            super(e);

        }

    }

}

Redis 分布式锁和 zk 分布式锁的对比

Redis 分布式锁，其实需要自己不断去尝试获取锁，比较消耗性能。

zk 分布式锁，获取不到锁，注册个监听器即可，不需要不断主动尝试获取锁，性能开销较小。

另外一点就是，如果是 redis 获取锁的那个客户端 出现 bug 挂了，那么只能等待超时时间之后才能释放锁；而 zk 的话，因为创建的是临时 znode，只要客户端挂了，znode 就没了，此时就自动释放锁。

Redis 分布式锁大家没发现好麻烦吗？遍历上锁，计算时间等等......zk 的分布式锁语义清晰实现简单。

所以先不分析太多的东西，就说这两点，我个人实践认为 zk 的分布式锁比 redis 的分布式锁牢靠、而且模型简单易用。