分布式鎖的三種實現方式詳解


分布式鎖的三種實現方式:

     1、基於數據庫:1)利用唯一索引約束;2)利用數據庫自帶排他鎖

     2、基於緩存:利用setnx()返回值

     3、基於ZooKeeper:1)利用ZooKeeper同一個目錄下只能有一個唯一文件名;2)利用ZooKeeper分布式鎖客戶端Curator

注:需要考慮的因素:單點、可重入、阻塞、失效時間

一、基於數據庫的實現方式

基於數據庫的實現方式的核心思想是:在數據庫中創建一個表,表中包含方法名等字段,並在方法名字段上創建唯一索引,想要執行某個方法,就使用這個方法名向表中插入數據,成功插入則獲取鎖,執行完成后刪除對應的行數據釋放鎖。

1、創建一個表:

DROP TABLE IF EXISTS `method_lock`;
CREATE TABLE `method_lock` (
  `id` int(11) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '主鍵',
  `method_name` varchar(64) NOT NULL COMMENT '鎖定的方法名',
  `desc` varchar(255) NOT NULL COMMENT '備注信息',
  `update_time` timestamp NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP,
  PRIMARY KEY (`id`),
  UNIQUE KEY `uidx_method_name` (`method_name`) USING BTREE
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=3 DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT='鎖定中的方法';

2、想要執行某個方法,就使用這個方法名向表中插入數據:

INSERT INTO method_lock (method_name, desc) VALUES ('methodName', '測試的methodName');

     因為我們對method_name做了唯一性約束,這里如果有多個請求同時提交到數據庫的話,數據庫會保證只有一個操作可以成功,那么我們就可以認為操作成功的那個線程獲得了該方法的鎖,可以執行方法體內容。

3、成功插入則獲取鎖,執行完成后刪除對應的行數據釋放鎖:

delete from method_lock where method_name ='methodName';

注意:這只是使用基於數據庫的一種方法,使用數據庫實現分布式鎖還有很多其他的玩法!

使用基於數據庫的這種實現方式很簡單,但是對於分布式鎖應該具備的條件來說,它有一些問題需要解決及優化:

      1)因為是基於數據庫實現的,數據庫的可用性和性能將直接影響分布式鎖的可用性及性能,所以,數據庫需要雙機部署、數據同步、主備切換;

       2)不具備可重入的特性,因為同一個線程在釋放鎖之前,行數據一直存在,無法再次成功插入數據,所以,需要在表中新增一列,用於記錄當前獲取到鎖的機器和線程信息,在再次獲取鎖的時候,先查詢表中機器和線程信息是否和當前機器和線程相同,若相同則直接獲取鎖;

      3)沒有鎖失效機制,因為有可能出現成功插入數據后,服務器宕機了,對應的數據沒有被刪除,當服務恢復后一直獲取不到鎖,所以,需要在表中新增一列,用於記錄失效時間,並且需要有定時任務清除這些失效的數據;

      4)不具備阻塞鎖特性,獲取不到鎖直接返回失敗,所以需要優化獲取邏輯,循環多次去獲取。

      5)在實施的過程中會遇到各種不同的問題,為了解決這些問題,實現方式將會越來越復雜;依賴數據庫需要一定的資源開銷,性能問題需要考慮。

二、基於Redis的實現方式

1、選用Redis實現分布式鎖原因:

     1)Redis有很高的性能;

     2)Redis命令對此支持較好,實現起來比較方便

2、使用命令介紹:

    1)SETNX

          SETNX key val:當且僅當key不存在時,set一個key為val的字符串,返回1;若key存在,則什么都不做,返回0。

    2)expire

          expire key timeout:為key設置一個超時時間,單位為second,超過這個時間鎖會自動釋放,避免死鎖。

    3)delete

         delete key:刪除key

3、實現思想:

      1)獲取鎖的時候,使用setnx加鎖,並使用expire命令為鎖添加一個超時時間,超過該時間則自動釋放鎖,鎖的value值為一個隨機生成的UUID,通過此在釋放鎖的時候進行判斷。

     2)獲取鎖的時候還設置一個獲取的超時時間,若超過這個時間則放棄獲取鎖。

     3)釋放鎖的時候,通過UUID判斷是不是該鎖,若是該鎖,則執行delete進行鎖釋放。

4、 分布式鎖的簡單實現代碼:

/**
 * 分布式鎖的簡單實現代碼
 */
public class DistributedLock {
 
    private final JedisPool jedisPool;
 
    public DistributedLock(JedisPool jedisPool) {
        this.jedisPool = jedisPool;
    }
 
    /**
     * 加鎖
     * @param lockName       鎖的key
     * @param acquireTimeout 獲取超時時間
     * @param timeout        鎖的超時時間
     * @return 鎖標識
     */
    public String lockWithTimeout(String lockName, long acquireTimeout, long timeout) {
        Jedis conn = null;
        String retIdentifier = null;
        try {
            // 獲取連接
            conn = jedisPool.getResource();
            // 隨機生成一個value
            String identifier = UUID.randomUUID().toString();
            // 鎖名,即key值
            String lockKey = "lock:" + lockName;
            // 超時時間,上鎖后超過此時間則自動釋放鎖
            int lockExpire = (int) (timeout / 1000);
 
            // 獲取鎖的超時時間,超過這個時間則放棄獲取鎖
            long end = System.currentTimeMillis() + acquireTimeout;
            while (System.currentTimeMillis() < end) {
                if (conn.setnx(lockKey, identifier) == 1) {
                    conn.expire(lockKey, lockExpire);
                    // 返回value值,用於釋放鎖時間確認
                    retIdentifier = identifier;
                    return retIdentifier;
                }
                // 返回-1代表key沒有設置超時時間,為key設置一個超時時間
                if (conn.ttl(lockKey) == -1) {
                    conn.expire(lockKey, lockExpire);
                }
 
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }
        } catch (JedisException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (conn != null) {
                conn.close();
            }
        }
        return retIdentifier;
    }
 
    /**
     * 釋放鎖
     * @param lockName   鎖的key
     * @param identifier 釋放鎖的標識
     * @return
     */
    public boolean releaseLock(String lockName, String identifier) {
        Jedis conn = null;
        String lockKey = "lock:" + lockName;
        boolean retFlag = false;
        try {
            conn = jedisPool.getResource();
            while (true) {
                // 監視lock,准備開始事務
                conn.watch(lockKey);
                // 通過前面返回的value值判斷是不是該鎖,若是該鎖,則刪除,釋放鎖
                if (identifier.equals(conn.get(lockKey))) {
                    Transaction transaction = conn.multi();
                    transaction.del(lockKey);
                    List<object> results = transaction.exec();
                    if (results == null) {
                        continue;
                    }
                    retFlag = true;
                }
                conn.unwatch();
                break;
            }
        } catch (JedisException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (conn != null) {
                conn.close();
            }
        }
        return retFlag;
    }
}

三、基於ZooKeeper的實現方式

       ZooKeeper是一個為分布式應用提供一致性服務的開源組件,它內部是一個分層的文件系統目錄樹結構,規定同一個目錄下只能有一個唯一文件名。基於ZooKeeper實現分布式鎖的步驟如下:

       1)創建一個目錄mylock;

       2)線程A想獲取鎖就在mylock目錄下創建臨時順序節點;

       3)獲取mylock目錄下所有的子節點,然后獲取比自己小的兄弟節點,如果不存在,則說明當前線程順序號最小,獲得鎖;

       4)線程B獲取所有節點,判斷自己不是最小節點,設置監聽比自己次小的節點;

       5)線程A處理完,刪除自己的節點,線程B監聽到變更事件,判斷自己是不是最小的節點,如果是則獲得鎖。

這里推薦一個Apache的開源庫Curator,它是一個ZooKeeper客戶端,Curator提供的InterProcessMutex是分布式鎖的實現,acquire方法用於獲取鎖,release方法用於釋放鎖。

優點:具備高可用、可重入、阻塞鎖特性,可解決失效死鎖問題。

缺點:因為需要頻繁的創建和刪除節點,性能上不如Redis方式。


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