JAVA总结--分布式锁

1、概念

分布式锁出现的原因：单体应用单机部署环境下，为了解决多线程并发问题，我们会使用ReentrantLcok或synchronized来解决互斥问题；但业务的需求，单机部署演变成分布式系统后，在分布式部署环境下，原单机部署使用的并发控制锁策略失效，为了解决这个问题就需要一种跨JVM的互斥机制来控制共享资源的访问，这就是分布式锁要解决的问题。

分布式锁特征：一个方法在同一时间只能被一个机器的一个线程执行；阻塞锁（没有获取到锁，进行等待）；非阻塞锁（没有获取到锁，返回失败）；锁失效；可重入；高性能、高可靠获取与释放锁；

2、三种实现方式：基于数据库、基于Redis、基于Zookeeper

1）基于数据库

数据库中创建一张表，表中包含方法名在内的多个字段；方法名字段创建唯一索引；

获取与释放：想要执行某个方法，就将方法名插入到数据表中，成功插入则获取锁，执行完成后删除对应的行数据释放锁。

优点：

• 借助数据库，实现方式比较简单；

缺点：

• 基于数据库实现，数据库的可用性和性能将直接影响分布式锁的可用性及性能，数据库需要双机部署数据同步、主备切换；

• 不具备可重入的特性，因为同一个线程在释放锁之前，行数据一直存在，无法再次成功插入数据，所以，需要在表中新增一列，用于记录当前获取到锁的机器和线程信息，在再次获取锁的时候，先查询表中机器和线程信息是否和当前机器和线程相同，若相同则直接获取锁；

• 没有锁失效机制，因为有可能出现成功插入数据后，服务器宕机了，对应的数据没有被删除，当服务恢复后一直获取不到锁，所以，需要在表中新增一列，用于记录失效时间，并且需要有定时任务清除这些失效的数据；

• 不具备阻塞锁特性，获取不到锁直接返回失败，所以需要优化获取逻辑，循环多次去获取。

2）基于Redis

在Redis2.6.12版本之前，使用setnx命令设置key-value、使用expire命令设置key的过期时间获取分布式锁，使用del命令释放分布式锁；

 如果setnx成功返回1，说明获得锁，当程序执行完成后删除键到达释放锁的目的，如果setnx失败返回0，说明未获得锁，可通过循环等待继续获取；如果程序获得锁后，断开了与Redis的连接，锁未进行释放，则程序发生死锁，但因有超时时间；

多种情形问题：

• setnx命令设置完key-value后，还没来得及使用expire命令设置过期时间，当前线程挂掉了，会导致当前线程设置的key一直有效，后续线程无法正常通过setnx获取锁，造成死锁；解决方法是因为两个命令是分开执行并且不具备原子特性，如果能将这两个命令合二为一就可以解决问题了，在Redis2.6.12版本中实现了这个功能，Redis为set命令增加了一系列选项，可以通过SET resource_name my_random_value NX PX max-lock-time来获取分布式锁，这个命令仅在不存在key(resource_name)的时候才能被执行成功（NX选项），并且这个key有一个max-lock-time秒的自动失效时间（PX属性）。这个key的值是“my_random_value”，它是一个随机值，这个值在所有的机器中必须是唯一的，用于安全释放锁。
• 在分布式环境下，线程A通过这种实现方式获取到了锁，但是在获取到锁之后，执行被阻塞了，导致该锁失效，此时线程B获取到该锁，之后线程A恢复执行，执行完成后释放该锁，直接使用del命令，将会把线程B的锁也释放掉，而此时线程B还没执行完，将会导致不可预知的问题；解决方法是释放锁的时候，只有key存在并且存储的“my_random_value”值和指定的值一样才执行del命令；
• 为了实现高可用，将会选择主从复制机制，但是主从复制机制是异步的，会出现数据不同步的问题，可能导致多个机器的多个线程获取到同一个锁；解决方法是因为采用了主从复制导致的问题，解决方案是不采用主从复制，使用RedLock算法；

　　RedLock描述如下：在Redis的分布式环境中，假设有5个Redis master，这些节点完全互相独立，不存在主从复制或者其他集群协调机制。为了取到锁，客户端应该执行以下操作:

1. 获取当前Unix时间，以毫秒为单位;

2. 依次尝试从N个实例，使用相同的key和随机值获取锁。在步骤2，当向Redis设置锁时,客户端应该设置一个网络连接和响应超时时间，这个超时时间应该小于锁的失效时间。例如你的锁自动失效时间为10秒，则超时时间应该在5-50毫秒之间。这样可以避免服务器端Redis已经挂掉的情况下，客户端还在死死地等待响应结果。如果服务器端没有在规定时间内响应，客户端应该尽快尝试另外一个Redis实例;

3. 客户端使用当前时间减去开始获取锁时间（步骤1记录的时间）就得到获取锁使用的时间。当且仅当从大多数（这里是3个节点）的Redis节点都取到锁，并且使用的时间小于锁失效时间时，锁才算获取成功。

4. 如果取到了锁，key的真正有效时间等于有效时间减去获取锁所使用的时间（步骤3计算的结果）;

5. 如果因为某些原因，获取锁失败（没有在至少N/2+1个Redis实例取到锁或者取锁时间已经超过了有效时间），客户端应该在所有的Redis实例上进行解锁（即便某些Redis实例根本就没有加锁成功）。

优点：

• 高性能，借助Redis实现比较方便；

缺点：

• 线程获取锁后，如果处理时间过长会导致锁超时失效，所以，通过锁超时机制不是十分可靠；

3）基于Zookeeper

ZooKeeper是一个为分布式应用提供一致性服务的开源组件，它内部是一个分层的文件系统目录树结构，规定同一个目录下只能有一个唯一文件名。基于ZooKeeper实现分布式锁的步骤如下：

1. 创建一个目录mylock；

2. 线程A想获取锁就在mylock目录下创建临时顺序节点；

3. 获取mylock目录下所有的子节点，然后获取比自己小的兄弟节点，如果不存在，则说明当前线程顺序号最小，获得锁；

4. 线程B获取所有节点，判断自己不是最小节点，设置监听比自己次小的节点；

5. 线程A处理完，删除自己的节点，线程B监听到变更事件，判断自己是不是最小的节点，如果是则获得锁。

apache的开源库Curator，它是一个ZooKeeper客户端，Curator提供的InterProcessMutex是分布式锁的实现，acquire方法用于获取锁，release方法用于释放锁。

优点：

• 具备高可用、可重入、阻塞锁特性，可解决失效死锁问题。

缺点：

• 因为需要频繁的创建和删除节点，性能上不如Redis方式。