分布式锁原理与实现（数据库rediszookeeper）

Posted 2022-12-12 胡玉洋　

分布式锁原理与实现（数据库、redis、zookeeper）

• 分布式锁
• 一、数据库实现分布式锁
• 二、Redis实现分布式锁
• 三、用Zookeeper实现分布式锁
• 总结

分布式锁

分布式锁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。

分布式锁的实现方式有：

1. 数据库实现分布式锁：原理简单，性能较差

2. Redis分布式锁：性能最好

3. Zookeeper分布式锁：可靠性最好

一、数据库实现分布式锁

数据库实现分布式锁的思路，最简单的方式可能就是直接创建一张锁表，然后通过操作该表中的数据来实现了。具体实现方式有多种：

1. 当我们要锁住某个方法或资源的时候，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。
2. 可以基于乐观锁实现。
3. 也可以利用数据库自带的排它锁实现。

由于需要连数据库，适用于对性能要求不高的场景如集群环境下的定时任务等。

参考：《基于数据库的分布式锁实现》https://blog.csdn.net/lmb55/article/details/78495629

二、Redis实现分布式锁

Redis实现分布式锁的思路主要是，获取锁的时候在redis中存储一个特定的key-value，释放锁的时候删除这个key-value。具体实现有多种方式。

1、【setnx】命令实现分布式锁（set if not exist）

一般思路是先用setnx命令设置一个指定的key-value来获取锁（同一业务逻辑获取的分布式锁对应的key固定，value随意），释放的时候用del命令删除这个key-value。这样做可能出现一个问题，如果释放锁（del key）之前系统挂了，redis中的这个key-value会一直存在，也就是会造成死锁。

因此可以用expire命令来给这个key-value加一个有效期，过一段时间即使不删除也自动失效。但由于加锁的时候，setnx和expire是分成两步来执行的，并没有原子性，如果执行expire之前系统挂了，也无法释放锁，造成死锁。当然执行expire需要依赖setnx的执行结果，如果setnx执行不成功（没抢到锁），是不应该执行expire的，所以也无法用redis事务的方式来保证这两个命令的原子性（如果用事务，及时setnx执行失败，也会继续执行expire）。

最终方案：可以通过setnx+getset命令来完美实现redis分布式锁，这种方案可以避免死锁，主要思想就是如果持有锁的线程没有及时释放锁，其他线程可以帮它释放锁。具体做法是：
（1）申请锁的时候用setnx设置key-value，key值固定，value=当前时间戳+过期时间，申请成功则获取锁成功
（2）如果申请锁失败（说明setnx执行失败，redis中已经有对应key了），用getset方法获取之前的值，判断锁是否已过期，如果过期了，判断设置的value

如下是用spring-data-redis实现分布式锁的例子：

public boolean lock(String redisKey,long expireMsecs) 
    try 
        long currentLockValue = System.currentTimeMillis() + expireMsecs + 1;
        boolean lockResult = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(redisKey, currentLockValue);
        //成功获取得锁
        if(lockResult) 
            return true;
        

        //如果redisKey存在,但已达到过期时间，则重新进入争抢
        Long lockValue = (Long)this.getRedisTemplate().opsForValue().get(redisKey);  //2019年04月08日12:00:10|000
        long currentTimeMillis = System.currentTimeMillis();  //2019年04月08日12:00:00|100

        if(lockValue != null && lockValue < currentTimeMillis) 
            
            Long oldLockValue = (Long)redisTemplate.opsForValue().getAndSet(redisKey, currentLockValue);  //2019年04月08日12:00:10|000
            //确保set的时候,没有其它线程进行getset操作
            if(oldLockValue != null && oldLockValue.equals(lockValue))  
                return true;
            
        
    catch (Exception e) 
        logException(bizAction, "exception", getLockKey(), e);
    
    return false;


public boolean unLock()
    redisTemplate.delete(getLockKey());

当锁过期重新进入争抢的时候，比如之前redis中存的时间value是5，现在时间currentLockValue是10，所以现在的锁过期了。这时线程A和线程B同时（在同一毫秒）争抢锁，线程A先执行getset，获取到的oldLockValue=5，同时把当前时间currentLockValue 10放到缓存中，线程2再执行getset时，获取到的oldLockValue=10，这时比较线程A获取到的oldLockValue和之前的lockValue值一样，就表示A获取到了锁。

这种方案还有个小问题就是，需要依赖每个服务器节点的时间，因此需要保证每个服务器的时间一致。

2、用【set key value [EX seconds] [PX milliseconds] [NX|XX]】命令实现分布式锁。

redis2.8之后，扩展了set命令的参数，可以直接执行用一个命令来原子执行set和expire。

3、用lua脚本实现redis分布式锁

4、Redlock算法

三、用Zookeeper实现分布式锁

Zookeeper锁原理：通过Zookeeper上的数据节点来标识一个锁，例如/curator/lock。Zookddper分布式锁与Redis分布式锁相比相比，实现的稳定性更强，这是因为zookeeper的特性所致，在外界看来，zookeeper集群中每一个节点都是一致的。

1、Zookeeper实现分布式锁

下面描述使用zookeeper实现分布式锁的算法流程，假设锁空间的根节点为/curator/lock：

1. 客户端连接zookeeper，并在/lock下创建临时的且有序的子节点，第一个客户端对应的子节点为/curator/lock/lock-0000000000，第二个为/curator/lock/lock-0000000001，以此类推。
2. 客户端获取/lock下的子节点列表，判断自己创建的子节点是否为当前子节点列表中序号最小的子节点，如果是则认为获得锁，否则监听/curator/lock的子节点变更消息，获得子节点变更通知后重复此步骤直至获得锁；
3. 执行业务代码；
4. 完成业务流程后，删除对应的子节点释放锁。

创建的临时节点能够保证在故障的情况下锁也能被释放，考虑这么个场景：假如客户端a当前创建的子节点为序号最小的节点，获得锁之后客户端所在机器宕机了，客户端没有主动删除子节点；如果创建的是永久的节点，那么这个锁永远不会释放，导致死锁；由于创建的是临时节点，客户端宕机后，过了一定时间zookeeper没有收到客户端的心跳包判断会话失效，将临时节点删除从而释放锁。

对于这个算法有个极大的优化点：假如当前有1000个节点在等待锁，如果获得锁的客户端释放锁时，这1000个客户端都会被唤醒，这种情况称为“羊群效应”；在这种羊群效应中，zookeeper需要通知1000个客户端，这会阻塞其他的操作，最好的情况应该只唤醒新的最小节点对应的客户端。应该怎么做呢？在设置事件监听时，每个客户端应该对刚好在它之前的子节点设置事件监听，例如子节点列表为/lock/lock-0000000000、/lock/lock-0000000001、/lock/lock-0000000002，序号为1的客户端监听序号为0的子节点删除消息，序号为2的监听序号为1的子节点删除消息。调整后的分布式锁算法为：

1. 客户端连接zookeeper，并在/lock下创建临时的且有序的子节点，第一个客户端对应的子节点为/lock/lock-0000000000，第二个为/lock/lock-0000000001，以此类推；
2. 客户端获取/lock下的子节点列表，判断自己创建的子节点是否为当前子节点列表中序号最小的子节点，如果是则认为获得锁，否则监听刚好在自己之前一位的子节点删除消息，获得子节点变更通知后重复此步骤直至获得锁；
3. 执行业务代码；
4. 完成业务流程后，删除对应的子节点释放锁。

如下是用Curator实现分布式锁的例子：

public class ZookeeperDistributeLock

    private static String lockPath = "/curator/lock";
    private static CuratorFramework client = CuratorFrameworkFactory.builder()
            .connectString("33.101.98.109:2181")
            .retryPolicy(new ExponentialBackoffRetry(1000, 3))
            .build();

    public static void main(String[] args) throws Exception 
        client.start();
        final InterProcessMutex lock = new InterProcessMutex(client, lockPath);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
        final SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss|SSS");

        for (int i = 1; i <= 50; i++) 
            final int finalI = i;
            new Thread(new Runnable() 
                @Override
                public void run() 
                    try 
                        countDownLatch.await();
                     catch (InterruptedException e) 
                        e.printStackTrace();
                    

                    try 
                        lock.acquire();
                     catch (Exception e) 
                        e.printStackTrace();
                    

                    String orderNo = simpleDateFormat.format(new Date());

                    try 
                        lock.release();
                     catch (Exception e) 
                        e.printStackTrace();
                    

                    System.out.println("生成的第" + (finalI) + "个订单号是：" + orderNo);
                
            ).start();
        
        System.out.println("1秒后开始并发生成订单号……");
        Thread.sleep(1000);
        countDownLatch.countDown();
    

2、Zookeeper读写锁

也可以通过Zookeeper来获取分布式读写锁，在获取读写锁时，也是通过数据节点来表示一个锁。请求锁时，在锁节点（比如/lock）下创建格式为“/lock/类型-序号”的临时顺序节点，比如“R-0000001”、“W-0000002”、“R-0000003”：

获取读写锁流程分析：

1. 在获取读锁时，客户端在/lock节点下创建/R-为前缀的临时顺序节点，比如“R-0000001”、“R-0000003”；在获取写锁时，客户端在/lock节点下创建/W-为前缀的临时顺序节点，比如“W-0000002”。
2. 创建节点后，获取/lock下所有子节点，确定当前节点在所有子节点中的位置，并对最近的子节点设置Watcher监听。
3. 对于读锁请求，如果没有比自己序号小的节点，或者所有比自己序号小的节点都是读请求，则成功获取到读锁，否则进入等待。
4. 对于写请求，如果自己是序号最小的节点，则成功获取到写锁，否则进入等待。

Curator已经为我们实现了多种分布式锁：

InterProcessMutex：分布式可重入排它锁
InterProcessSemaphoreMutex：分布式排它锁
InterProcessReadWriteLock：分布式读写锁
InterProcessMultiLock：将多个锁作为单个实体管理的容器

总结

数据库分布式锁、Redis分布式锁、Zookeeper分布式锁的比较

1. 理解的难易程度
   数据库>Redis>Zookeeper
2. 实现的复杂程度
   Zookeeper>=Redis>数据库
3. 性能高低
   Redis>Zookeeper>数据库
4. 可靠性
   Zookeeper>Redis>数据库