古有程咬金“三板斧”威震隋唐，現(xiàn)有我“三板斧”大破分布式

在分布式系統(tǒng)的很多場(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。

目前針對(duì)分布式鎖的實(shí)現(xiàn)目前有多種方案：

1. 基于數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)分布式鎖
2. 基于緩存（redis，memcached）實(shí)現(xiàn)分布式鎖
3. 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

一. 基于數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)分布式鎖

1.1 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：

• 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。

• 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。

• 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。

• 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。

針對(duì) 數(shù)據(jù)庫(kù)是單點(diǎn)問(wèn)題搞兩個(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。

針對(duì) 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。

針對(duì) 非阻塞的？搞一個(gè)while循環(huán)，直到insert成功再返回成功。

針對(duì) 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。

1.2 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。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。

1.3 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。

二.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等。

在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候要注意的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

1. 鎖信息必須是會(huì)過(guò)期超時(shí)的，不能讓一個(gè)線程長(zhǎng)期占有一個(gè)鎖而導(dǎo)致死鎖；

2. 同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程獲取到鎖。

幾個(gè)要用到的redis命令：

setnx(key, value)：“set if not exits”，若該key-value不存在，則成功加入緩存并且返回1，否則返回0。

get(key)：獲得key對(duì)應(yīng)的value值，若不存在則返回nil。

getset(key, value)：先獲取key對(duì)應(yīng)的value值，若不存在則返回nil，然后將舊的value更新為新的value。

expire(key, seconds)：設(shè)置key-value的有效期為seconds秒。

看一下流程圖：

在這個(gè)流程下，不會(huì)導(dǎo)致死鎖。

我采用Jedis作為Redis客戶端的api，下面來(lái)看一下具體實(shí)現(xiàn)的代碼。

（1）首先要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)Redis連接池。

public class RedisPool {

    private static JedisPool pool;//jedis連接池

    private static int maxTotal = 20;//最大連接數(shù)

    private static int maxIdle = 10;//最大空閑連接數(shù)

    private static int minIdle = 5;//最小空閑連接數(shù)

    private static boolean testOnBorrow = true;//在取連接時(shí)測(cè)試連接的可用性

    private static boolean testOnReturn = false;//再還連接時(shí)不測(cè)試連接的可用性

    static {
        initPool();//初始化連接池
    }

    public static Jedis getJedis(){
        return pool.getResource();
    }

    public static void close(Jedis jedis){
        jedis.close();
    }

    private static void initPool(){
        JedisPoolConfig config = new JedisPoolConfig();
        config.setMaxTotal(maxTotal);
        config.setMaxIdle(maxIdle);
        config.setMinIdle(minIdle);
        config.setTestOnBorrow(testOnBorrow);
        config.setTestOnReturn(testOnReturn);
        config.setBlockWhenExhausted(true);
        pool = new JedisPool(config, "127.0.0.1", 6379, 5000, "liqiyao");
    }
}

（2）對(duì)Jedis的api進(jìn)行封裝，封裝一些實(shí)現(xiàn)分布式鎖需要用到的操作。

public class RedisPoolUtil {

    private RedisPoolUtil(){}

    private static RedisPool redisPool;

    public static String get(String key){
        Jedis jedis = null;
        String result = null;
        try {
            jedis = RedisPool.getJedis();
            result = jedis.get(key);
        } catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (jedis != null) {
                jedis.close();
            }
            return result;
        }
    }

    public static Long setnx(String key, String value){
        Jedis jedis = null;
        Long result = null;
        try {
            jedis = RedisPool.getJedis();
            result = jedis.setnx(key, value);
        } catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (jedis != null) {
                jedis.close();
            }
            return result;
        }
    }

    public static String getSet(String key, String value){
        Jedis jedis = null;
        String result = null;
        try {
            jedis = RedisPool.getJedis();
            result = jedis.getSet(key, value);
        } catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (jedis != null) {
                jedis.close();
            }
            return result;
        }
    }

    public static Long expire(String key, int seconds){
        Jedis jedis = null;
        Long result = null;
        try {
            jedis = RedisPool.getJedis();
            result = jedis.expire(key, seconds);
        } catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (jedis != null) {
                jedis.close();
            }
            return result;
        }
    }

    public static Long del(String key){
        Jedis jedis = null;
        Long result = null;
        try {
            jedis = RedisPool.getJedis();
            result = jedis.del(key);
        } catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (jedis != null) {
                jedis.close();
            }
            return result;
        }
    }
}

（3）分布式鎖工具類

public class DistributedLockUtil {

    private DistributedLockUtil(){
    }

    public static boolean lock(String lockName){//lockName可以為共享變量
    名，也可以為方法名，主要是用于模擬鎖信息
        System.out.println(Thread.currentThread() + "開(kāi)始嘗試加鎖！");
        Long result = RedisPoolUtil.setnx
        (lockName, String.valueOf(System.currentTimeMillis() + 5000));
        if (result != null && result.intValue() == 1){
            System.out.println(Thread.currentThread() + "加鎖成功！");
            RedisPoolUtil.expire(lockName, 5);
            System.out.println(Thread.currentThread() + "執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯！");
            RedisPoolUtil.del(lockName);
            return true;
        } else {
            String lockValueA = RedisPoolUtil.get(lockName);
            if (lockValueA != null && Long.parseLong(lockValueA) >= 
            System.currentTimeMillis()){
                String lockValueB = RedisPoolUtil.getSet(lockName, 
                String.valueOf(System.currentTimeMillis() + 5000));
                if (lockValueB == null || lockValueB.equals(lockValueA)){
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "加鎖成功！");
                    RedisPoolUtil.expire(lockName, 5);
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯！");
                    RedisPoolUtil.del(lockName);
                    return true;
                } else {
                    return false;
                }
            } else {
                return false;
            }
        }
    }
}

三. 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(xiě)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。

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。

四.三種方案的比較

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)

因此我個(gè)人更加傾向于使用緩存來(lái)實(shí)現(xiàn)，后續(xù)的文章中會(huì)基于Redis封裝一個(gè)我們自己的分布式鎖實(shí)現(xiàn)。