詳細(xì)解讀分布式鎖原理及三種實(shí)現(xiàn)方式

更新時(shí)間：2017年10月16日 15:08:27 作者：一刀平

這篇文章從三種基于不同形式的分布式鎖的實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫(kù)、緩存和zookeeper，內(nèi)容比較詳細(xì)，具有一定參考價(jià)值，需要的朋友可以了解下。

目前幾乎很多大型網(wǎng)站及應(yīng)用都是分布式部署的，分布式場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題一直是一個(gè)比較重要的話題。分布式的CAP理論告訴我們“任何一個(gè)分布式系統(tǒng)都無(wú)法同時(shí)滿足一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分區(qū)容錯(cuò)性（Partition tolerance），最多只能同時(shí)滿足兩項(xiàng)。”所以，很多系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初就要對(duì)這三者做出取舍。在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的絕大多數(shù)的場(chǎng)景中，都需要犧牲強(qiáng)一致性來(lái)?yè)Q取系統(tǒng)的高可用性，系統(tǒng)往往只需要保證“最終一致性”，只要這個(gè)最終時(shí)間是在用戶可以接受的范圍內(nèi)即可。

在很多場(chǎng)景中，我們?yōu)榱吮ＷC數(shù)據(jù)的最終一致性，需要很多的技術(shù)方案來(lái)支持，比如分布式事務(wù)、分布式鎖等。有的時(shí)候，我們需要保證一個(gè)方法在同一時(shí)間內(nèi)只能被同一個(gè)線程執(zhí)行。在單機(jī)環(huán)境中，Java中其實(shí)提供了很多并發(fā)處理相關(guān)的API，但是這些API在分布式場(chǎng)景中就無(wú)能為力了。也就是說(shuō)單純的Java Api并不能提供分布式鎖的能力。所以針對(duì)分布式鎖的實(shí)現(xiàn)目前有多種方案。

針對(duì)分布式鎖的實(shí)現(xiàn)，目前比較常用的有以下幾種方案：

基于數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)分布式鎖
基于緩存（redis，memcached，tair）實(shí)現(xiàn)分布式鎖
基于Zookeeper實(shí)現(xiàn)分布式鎖

在分析這幾種實(shí)現(xiàn)方案之前我們先來(lái)想一下，我們需要的分布式鎖應(yīng)該是怎么樣的？（這里以方法鎖為例，資源鎖同理）

可以保證在分布式部署的應(yīng)用集群中，同一個(gè)方法在同一時(shí)間只能被一臺(tái)機(jī)器上的一個(gè)線程執(zhí)行。
這把鎖要是一把可重入鎖（避免死鎖）
這把鎖最好是一把阻塞鎖（根據(jù)業(yè)務(wù)需求考慮要不要這條）
有高可用的獲取鎖和釋放鎖功能
獲取鎖和釋放鎖的性能要好

基于數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)分布式鎖

基于數(shù)據(jù)庫(kù)表

要實(shí)現(xiàn)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)了。
當(dāng)我們要鎖住某個(gè)方法或資源時(shí)，我們就在該表中增加一條記錄，想要釋放鎖的時(shí)候就刪除這條記錄。

創(chuàng)建這樣一張數(shù)據(jù)庫(kù)表：

CREATE TABLE `methodLock` (
 `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '主鍵',
 `method_name` varchar(64) NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '鎖定的方法名',
 `desc` varchar(1024) NOT NULL DEFAULT '備注信息',
 `update_time` timestamp NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '保存數(shù)據(jù)時(shí)間，自動(dòng)生成',
 PRIMARY KEY (`id`),
 UNIQUE KEY `uidx_method_name` (`method_name `) USING BTREE
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT='鎖定中的方法';

當(dāng)我們想要鎖住某個(gè)方法時(shí)，執(zhí)行以下SQL：

insert into methodLock(method_name,desc) values (‘method_name',‘desc')

因?yàn)槲覀儗?duì)method_name做了唯一性約束，這里如果有多個(gè)請(qǐng)求同時(shí)提交到數(shù)據(jù)庫(kù)的話，數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)保證只有一個(gè)操作可以成功，那么我們就可以認(rèn)為操作成功的那個(gè)線程獲得了該方法的鎖，可以執(zhí)行方法體內(nèi)容。

當(dāng)方法執(zhí)行完畢之后，想要釋放鎖的話，需要執(zhí)行以下Sql:

delete from methodLock where method_name ='method_name'

上面這種簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)有以下幾個(gè)問(wèn)題：

1、這把鎖強(qiáng)依賴數(shù)據(jù)庫(kù)的可用性，數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)單點(diǎn)，一旦數(shù)據(jù)庫(kù)掛掉，會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)系統(tǒng)不可用。
2、這把鎖沒(méi)有失效時(shí)間，一旦解鎖操作失敗，就會(huì)導(dǎo)致鎖記錄一直在數(shù)據(jù)庫(kù)中，其他線程無(wú)法再獲得到鎖。
3、這把鎖只能是非阻塞的，因?yàn)閿?shù)據(jù)的insert操作，一旦插入失敗就會(huì)直接報(bào)錯(cuò)。沒(méi)有獲得鎖的線程并不會(huì)進(jìn)入排隊(duì)隊(duì)列，要想再次獲得鎖就要再次觸發(fā)獲得鎖操作。
4、這把鎖是非重入的，同一個(gè)線程在沒(méi)有釋放鎖之前無(wú)法再次獲得該鎖。因?yàn)閿?shù)據(jù)中數(shù)據(jù)已經(jīng)存在了。

當(dāng)然，我們也可以有其他方式解決上面的問(wèn)題。

數(shù)據(jù)庫(kù)是單點(diǎn)？搞兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)之前雙向同步。一旦掛掉快速切換到備庫(kù)上。
沒(méi)有失效時(shí)間？只要做一個(gè)定時(shí)任務(wù)，每隔一定時(shí)間把數(shù)據(jù)庫(kù)中的超時(shí)數(shù)據(jù)清理一遍。
非阻塞的？搞一個(gè)while循環(huán)，直到insert成功再返回成功。
非重入的？在數(shù)據(jù)庫(kù)表中加個(gè)字段，記錄當(dāng)前獲得鎖的機(jī)器的主機(jī)信息和線程信息，那么下次再獲取鎖的時(shí)候先查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，如果當(dāng)前機(jī)器的主機(jī)信息和線程信息在數(shù)據(jù)庫(kù)可以查到的話，直接把鎖分配給他就可以了。

基于數(shù)據(jù)庫(kù)排他鎖

除了可以通過(guò)增刪操作數(shù)據(jù)表中的記錄以外，其實(shí)還可以借助數(shù)據(jù)中自帶的鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式的鎖。

我們還用剛剛創(chuàng)建的那張數(shù)據(jù)庫(kù)表?？梢酝ㄟ^(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的排他鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式鎖。基于MySql的InnoDB引擎，可以使用以下方法來(lái)實(shí)現(xiàn)加鎖操作：

public Boolean lock(){
	connection.setAutoCommit(false)
	  while(true){
		try{
			result = select * from methodLock where method_name=xxx for update;
			if(result==null){
				return true;
			}
		}
		catch(Exception e){
		}
		sleep(1000);
	}
	return false;
}

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)表增加排他鎖（這里再多提一句，InnoDB引擎在加鎖的時(shí)候，只有通過(guò)索引進(jìn)行檢索的時(shí)候才會(huì)使用行級(jí)鎖，否則會(huì)使用表級(jí)鎖。這里我們希望使用行級(jí)鎖，就要給method_name添加索引，值得注意的是，這個(gè)索引一定要?jiǎng)?chuàng)建成唯一索引，否則會(huì)出現(xiàn)多個(gè)重載方法之間無(wú)法同時(shí)被訪問(wèn)的問(wèn)題。重載方法的話建議把參數(shù)類型也加上。）。當(dāng)某條記錄被加上排他鎖之后，其他線程無(wú)法再在該行記錄上增加排他鎖。

我們可以認(rèn)為獲得排它鎖的線程即可獲得分布式鎖，當(dāng)獲取到鎖之后，可以執(zhí)行方法的業(yè)務(wù)邏輯，執(zhí)行完方法之后，再通過(guò)以下方法解鎖：

public void unlock(){
  connection.commit();
}

通過(guò)connection.commit()操作來(lái)釋放鎖。

這種方法可以有效的解決上面提到的無(wú)法釋放鎖和阻塞鎖的問(wèn)題。

阻塞鎖？ for update語(yǔ)句會(huì)在執(zhí)行成功后立即返回，在執(zhí)行失敗時(shí)一直處于阻塞狀態(tài)，直到成功。
鎖定之后服務(wù)宕機(jī)，無(wú)法釋放？使用這種方式，服務(wù)宕機(jī)之后數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)自己把鎖釋放掉。

但是還是無(wú)法直接解決數(shù)據(jù)庫(kù)單點(diǎn)和可重入問(wèn)題。

這里還可能存在另外一個(gè)問(wèn)題，雖然我們對(duì)method_name 使用了唯一索引，并且顯示使用for update來(lái)使用行級(jí)鎖。但是，MySql會(huì)對(duì)查詢進(jìn)行優(yōu)化，即便在條件中使用了索引字段，但是否使用索引來(lái)檢索數(shù)據(jù)是由 MySQL 通過(guò)判斷不同執(zhí)行計(jì)劃的代價(jià)來(lái)決定的，如果 MySQL 認(rèn)為全表掃效率更高，比如對(duì)一些很小的表，它就不會(huì)使用索引，這種情況下 InnoDB 將使用表鎖，而不是行鎖。如果發(fā)生這種情況就悲劇了。。。

還有一個(gè)問(wèn)題，就是我們要使用排他鎖來(lái)進(jìn)行分布式鎖的lock，那么一個(gè)排他鎖長(zhǎng)時(shí)間不提交，就會(huì)占用數(shù)據(jù)庫(kù)連接。一旦類似的連接變得多了，就可能把數(shù)據(jù)庫(kù)連接池?fù)伪?br />

總結(jié)

總結(jié)一下使用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式鎖的方式，這兩種方式都是依賴數(shù)據(jù)庫(kù)的一張表，一種是通過(guò)表中的記錄的存在情況確定當(dāng)前是否有鎖存在，另外一種是通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的排他鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式鎖。

數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)分布式鎖的優(yōu)點(diǎn)

直接借助數(shù)據(jù)庫(kù)，容易理解。

數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)分布式鎖的缺點(diǎn)

會(huì)有各種各樣的問(wèn)題，在解決問(wèn)題的過(guò)程中會(huì)使整個(gè)方案變得越來(lái)越復(fù)雜。
操作數(shù)據(jù)庫(kù)需要一定的開(kāi)銷，性能問(wèn)題需要考慮。
使用數(shù)據(jù)庫(kù)的行級(jí)鎖并不一定靠譜，尤其是當(dāng)我們的鎖表并不大的時(shí)候。

基于緩存實(shí)現(xiàn)分布式鎖

相比較于基于數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)分布式鎖的方案來(lái)說(shuō)，基于緩存來(lái)實(shí)現(xiàn)在性能方面會(huì)表現(xiàn)的更好一點(diǎn)。而且很多緩存是可以集群部署的，可以解決單點(diǎn)問(wèn)題。

目前有很多成熟的緩存產(chǎn)品，包括Redis，memcached以及我們公司內(nèi)部的Tair。

這里以Tair為例來(lái)分析下使用緩存實(shí)現(xiàn)分布式鎖的方案。關(guān)于Redis和memcached在網(wǎng)絡(luò)上有很多相關(guān)的文章，并且也有一些成熟的框架及算法可以直接使用。

基于Tair的實(shí)現(xiàn)分布式鎖其實(shí)和Redis類似，其中主要的實(shí)現(xiàn)方式是使用TairManager.put方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

public boolean trylock(String key) {
  ResultCode code = ldbTairManager.put(NAMESPACE, key, "This is a Lock.", 2, 0);
  if (ResultCode.SUCCESS.equals(code))
    return true;
  else
    return false;
}
public boolean unlock(String key) {
  ldbTairManager.invalid(NAMESPACE, key);
}

以上實(shí)現(xiàn)方式同樣存在幾個(gè)問(wèn)題：

1、這把鎖沒(méi)有失效時(shí)間，一旦解鎖操作失敗，就會(huì)導(dǎo)致鎖記錄一直在tair中，其他線程無(wú)法再獲得到鎖。
2、這把鎖只能是非阻塞的，無(wú)論成功還是失敗都直接返回。
3、這把鎖是非重入的，一個(gè)線程獲得鎖之后，在釋放鎖之前，無(wú)法再次獲得該鎖，因?yàn)槭褂玫降膋ey在tair中已經(jīng)存在。無(wú)法再執(zhí)行put操作。

當(dāng)然，同樣有方式可以解決。

沒(méi)有失效時(shí)間？tair的put方法支持傳入失效時(shí)間，到達(dá)時(shí)間之后數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)刪除。
非阻塞？while重復(fù)執(zhí)行。
非可重入？在一個(gè)線程獲取到鎖之后，把當(dāng)前主機(jī)信息和線程信息保存起來(lái)，下次再獲取之前先檢查自己是不是當(dāng)前鎖的擁有者。

但是，失效時(shí)間我設(shè)置多長(zhǎng)時(shí)間為好？如何設(shè)置的失效時(shí)間太短，方法沒(méi)等執(zhí)行完，鎖就自動(dòng)釋放了，那么就會(huì)產(chǎn)生并發(fā)問(wèn)題。如果設(shè)置的時(shí)間太長(zhǎng)，其他獲取鎖的線程就可能要平白的多等一段時(shí)間。這個(gè)問(wèn)題使用數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)分布式鎖同樣存在

總結(jié)

可以使用緩存來(lái)代替數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式鎖，這個(gè)可以提供更好的性能，同時(shí)，很多緩存服務(wù)都是集群部署的，可以避免單點(diǎn)問(wèn)題。并且很多緩存服務(wù)都提供了可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式鎖的方法，比如Tair的put方法，redis的setnx方法等。并且，這些緩存服務(wù)也都提供了對(duì)數(shù)據(jù)的過(guò)期自動(dòng)刪除的支持，可以直接設(shè)置超時(shí)時(shí)間來(lái)控制鎖的釋放。

使用緩存實(shí)現(xiàn)分布式鎖的優(yōu)點(diǎn)

性能好，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為方便。

使用緩存實(shí)現(xiàn)分布式鎖的缺點(diǎn)

通過(guò)超時(shí)時(shí)間來(lái)控制鎖的失效時(shí)間并不是十分的靠譜。

基于Zookeeper實(shí)現(xiàn)分布式鎖

基于zookeeper臨時(shí)有序節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)的分布式鎖。

大致思想即為：每個(gè)客戶端對(duì)某個(gè)方法加鎖時(shí)，在zookeeper上的與該方法對(duì)應(yīng)的指定節(jié)點(diǎn)的目錄下，生成一個(gè)唯一的瞬時(shí)有序節(jié)點(diǎn)。判斷是否獲取鎖的方式很簡(jiǎn)單，只需要判斷有序節(jié)點(diǎn)中序號(hào)最小的一個(gè)。當(dāng)釋放鎖的時(shí)候，只需將這個(gè)瞬時(shí)節(jié)點(diǎn)刪除即可。同時(shí)，其可以避免服務(wù)宕機(jī)導(dǎo)致的鎖無(wú)法釋放，而產(chǎn)生的死鎖問(wèn)題。

來(lái)看下Zookeeper能不能解決前面提到的問(wèn)題。

鎖無(wú)法釋放？使用Zookeeper可以有效的解決鎖無(wú)法釋放的問(wèn)題，因?yàn)樵趧?chuàng)建鎖的時(shí)候，客戶端會(huì)在ZK中創(chuàng)建一個(gè)臨時(shí)節(jié)點(diǎn)，一旦客戶端獲取到鎖之后突然掛掉（Session連接斷開(kāi)），那么這個(gè)臨時(shí)節(jié)點(diǎn)就會(huì)自動(dòng)刪除掉。其他客戶端就可以再次獲得鎖。
非阻塞鎖？使用Zookeeper可以實(shí)現(xiàn)阻塞的鎖，客戶端可以通過(guò)在ZK中創(chuàng)建順序節(jié)點(diǎn)，并且在節(jié)點(diǎn)上綁定監(jiān)聽(tīng)器，一旦節(jié)點(diǎn)有變化，Zookeeper會(huì)通知客戶端，客戶端可以檢查自己創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)是不是當(dāng)前所有節(jié)點(diǎn)中序號(hào)最小的，如果是，那么自己就獲取到鎖，便可以執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯了。

不可重入？使用Zookeeper也可以有效的解決不可重入的問(wèn)題，客戶端在創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，把當(dāng)前客戶端的主機(jī)信息和線程信息直接寫入到節(jié)點(diǎn)中，下次想要獲取鎖的時(shí)候和當(dāng)前最小的節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)比對(duì)一下就可以了。如果和自己的信息一樣，那么自己直接獲取到鎖，如果不一樣就再創(chuàng)建一個(gè)臨時(shí)的順序節(jié)點(diǎn)，參與排隊(duì)。

單點(diǎn)問(wèn)題？使用Zookeeper可以有效的解決單點(diǎn)問(wèn)題，ZK是集群部署的，只要集群中有半數(shù)以上的機(jī)器存活，就可以對(duì)外提供服務(wù)。

可以直接使用zookeeper第三方庫(kù)Curator客戶端，這個(gè)客戶端中封裝了一個(gè)可重入的鎖服務(wù)。

public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
  try {
    return interProcessMutex.acquire(timeout, unit);
  } catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
  }
  return true;
}
public boolean unlock() {
  try {
    interProcessMutex.release();
  } catch (Throwable e) {
    log.error(e.getMessage(), e);
  } finally {
    executorService.schedule(new Cleaner(client, path), delayTimeForClean, TimeUnit.MILLISECONDS);
  }
  return true;
}

Curator提供的InterProcessMutex是分布式鎖的實(shí)現(xiàn)。acquire方法用戶獲取鎖，release方法用于釋放鎖。

使用ZK實(shí)現(xiàn)的分布式鎖好像完全符合了本文開(kāi)頭我們對(duì)一個(gè)分布式鎖的所有期望。但是，其實(shí)并不是，Zookeeper實(shí)現(xiàn)的分布式鎖其實(shí)存在一個(gè)缺點(diǎn)，那就是性能上可能并沒(méi)有緩存服務(wù)那么高。因?yàn)槊看卧趧?chuàng)建鎖和釋放鎖的過(guò)程中，都要?jiǎng)討B(tài)創(chuàng)建、銷毀瞬時(shí)節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖功能。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)同不到所有的Follower機(jī)器上。

其實(shí)，使用Zookeeper也有可能帶來(lái)并發(fā)問(wèn)題，只是并不常見(jiàn)而已?？紤]這樣的情況，由于網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)，客戶端可ZK集群的session連接斷了，那么zk以為客戶端掛了，就會(huì)刪除臨時(shí)節(jié)點(diǎn)，這時(shí)候其他客戶端就可以獲取到分布式鎖了。就可能產(chǎn)生并發(fā)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題不常見(jiàn)是因?yàn)閦k有重試機(jī)制，一旦zk集群檢測(cè)不到客戶端的心跳，就會(huì)重試，Curator客戶端支持多種重試策略。多次重試之后還不行的話才會(huì)刪除臨時(shí)節(jié)點(diǎn)。（所以，選擇一個(gè)合適的重試策略也比較重要，要在鎖的粒度和并發(fā)之間找一個(gè)平衡。）

總結(jié)

使用Zookeeper實(shí)現(xiàn)分布式鎖的優(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。

使用Zookeeper實(shí)現(xiàn)分布式鎖的缺點(diǎn)

性能上不如使用緩存實(shí)現(xiàn)分布式鎖。需要對(duì)ZK的原理有所了解。

三種方案的比較

上面幾種方式，哪種方式都無(wú)法做到完美。就像CAP一樣，在復(fù)雜性、可靠性、性能等方面無(wú)法同時(shí)滿足，所以，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景選擇最適合自己的才是王道。

從理解的難易程度角度（從低到高）
數(shù)據(jù)庫(kù) > 緩存 > Zookeeper

從實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性角度（從低到高）
Zookeeper >= 緩存 > 數(shù)據(jù)庫(kù)

從性能角度（從高到低）
緩存 > Zookeeper >= 數(shù)據(jù)庫(kù)

從可靠性角度（從高到低）
Zookeeper > 緩存 > 數(shù)據(jù)庫(kù)

總結(jié)

以上就是本文關(guān)于詳細(xì)解讀分布式鎖原理及三種實(shí)現(xiàn)方式的全部?jī)?nèi)容，感興趣的朋友可以繼續(xù)參閱：詳解java中的互斥鎖信號(hào)量和多線程等待機(jī)制、apache zookeeper使用方法實(shí)例詳解、幾個(gè)比較重要的MySQL變量以及本站其他相關(guān)專題，希望對(duì)大家有所幫助。有什么問(wèn)題可以隨時(shí)留言，小編定會(huì)及時(shí)回復(fù)，給大家提供更好的閱讀體驗(yàn)和幫助，感謝朋友們對(duì)本站的支持！

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