分布式锁三种实现方式

  1. 1. 基于数据库实现分布式锁；
  2. 2. 基于缓存（Redis等）实现分布式锁；
  3. 3. 基于Zookeeper实现分布式锁；

一， 基于数据库实现分布式锁

  1. 悲观锁

利用select … where … for update 排他锁

注意: 其他附加功能与实现一基本一致，这里需要注意的是“where name=lock ”，name字段必须要走索引，否则会锁表。有些情况下，比如表不大，mysql优化器会不走这个索引，导致锁表问题。

  1. 乐观锁

所谓乐观锁与前边最大区别在于基于CAS思想，是不具有互斥性，不会产生锁等待而消耗资源，操作过程中认为不存在并发冲突，只有update version失败后才能觉察到。我们的抢购、秒杀就是用了这种实现以防止超卖。
通过增加递增的版本号字段实现乐观锁

分布式锁三种实现方式 - 图1

二， 基于缓存（Redis等）实现分布式锁

  1. 使用命令介绍：
    （1）SETNX
    SETNX key val：当且仅当key不存在时，set一个key为val的字符串，返回1；若key存在，则什么都不做，返回0。
    （2）expire
    expire key timeout：为key设置一个超时时间，单位为second，超过这个时间锁会自动释放，避免死锁。
    （3）delete
    delete key：删除key

在使用Redis实现分布式锁的时候，主要就会使用到这三个命令。

  1. 实现思想：
    （1）获取锁的时候，使用setnx加锁，并使用expire命令为锁添加一个超时时间，超过该时间则自动释放锁，锁的value值为一个随机生成的UUID，通过此在释放锁的时候进行判断。
    （2）获取锁的时候还设置一个获取的超时时间，若超过这个时间则放弃获取锁。
    （3）释放锁的时候，通过UUID判断是不是该锁，若是该锁，则执行delete进行锁释放。
  2. 分布式锁的简单实现代码：
  1. /**
  2.  * 分布式锁的简单实现代码  
  3.  */
  4. public class DistributedLock {
  6.     private final JedisPool jedisPool;
  8.     public DistributedLock(JedisPool jedisPool) {
  9.         this.jedisPool = jedisPool;
  10.     }
  12.     /**
  13.      * 加锁
  14.      * @param lockName       锁的key
  15.      * @param acquireTimeout 获取超时时间
  16.      * @param timeout        锁的超时时间
  17.      * @return 锁标识
  18.      */
  19.     public String lockWithTimeout(String lockName, long acquireTimeout, long timeout) {
  20.         Jedis conn = null;
  21.         String retIdentifier = null;
  22.         try {
  23.             // 获取连接
  24.             conn = jedisPool.getResource();
  25.             // 随机生成一个value
  26.             String identifier = UUID.randomUUID().toString();
  27.             // 锁名，即key值
  28.             String lockKey = "lock:" + lockName;
  29.             // 超时时间，上锁后超过此时间则自动释放锁
  30.             int lockExpire = (int) (timeout / 1000);
  32.             // 获取锁的超时时间，超过这个时间则放弃获取锁
  33.             long end = System.currentTimeMillis() + acquireTimeout;
  34.             while (System.currentTimeMillis() < end) {
  35.                 if (conn.setnx(lockKey, identifier) == 1) {
  36.                     conn.expire(lockKey, lockExpire);
  37.                     // 返回value值，用于释放锁时间确认
  38.                     retIdentifier = identifier;
  39.                     return retIdentifier;
  40.                 }
  41.                 // 返回-1代表key没有设置超时时间，为key设置一个超时时间
  42.                 if (conn.ttl(lockKey) == -1) {
  43.                     conn.expire(lockKey, lockExpire);
  44.                 }
  46.                 try {
  47.                     Thread.sleep(10);
  48.                 } catch (InterruptedException e) {
  49.                     Thread.currentThread().interrupt();
  50.                 }
  51.             }
  52.         } catch (JedisException e) {
  53.             e.printStackTrace();
  54.         } finally {
  55.             if (conn != null) {
  56.                 conn.close();
  57.             }
  58.         }
  59.         return retIdentifier;
  60.     }
  62.     /**
  63.      * 释放锁
  64.      * @param lockName   锁的key
  65.      * @param identifier 释放锁的标识
  66.      * @return
  67.      */
  68.     public boolean releaseLock(String lockName, String identifier) {
  69.         Jedis conn = null;
  70.         String lockKey = "lock:" + lockName;
  71.         boolean retFlag = false;
  72.         try {
  73.             conn = jedisPool.getResource();
  74.             while (true) {
  75.                 // 监视lock，准备开始事务
  76.                 conn.watch(lockKey);
  77.                 // 通过前面返回的value值判断是不是该锁，若是该锁，则删除，释放锁
  78.                 if (identifier.equals(conn.get(lockKey))) {
  79.                     Transaction transaction = conn.multi();
  80.                     transaction.del(lockKey);
  81.                     List<Object> results = transaction.exec();
  82.                     if (results == null) {
  83.                         continue;
  84.                     }
  85.                     retFlag = true;
  86.                 }
  87.                 conn.unwatch();
  88.                 break;
  89.             }
  90.         } catch (JedisException e) {
  91.             e.printStackTrace();
  92.         } finally {
  93.             if (conn != null) {
  94.                 conn.close();
  95.             }
  96.         }
  97.         return retFlag;
  98.     }
  99. }
  1. 测试刚才实现的分布式锁

例子中使用50个线程模拟秒杀一个商品，使用–运算符来实现商品减少，从结果有序性就可以看出是否为加锁状态。

模拟秒杀服务，在其中配置了jedis线程池，在初始化的时候传给分布式锁，供其使用。

  1. public class Service {
  3.     private static JedisPool pool = null;
  5.     private DistributedLock lock = new DistributedLock(pool);
  7.     int n = 500;
  9.     static {
  10.         JedisPoolConfig config = new JedisPoolConfig();
  11.         // 设置最大连接数
  12.         config.setMaxTotal(200);
  13.         // 设置最大空闲数
  14.         config.setMaxIdle(8);
  15.         // 设置最大等待时间
  16.         config.setMaxWaitMillis(1000 * 100);
  17.         // 在borrow一个jedis实例时，是否需要验证，若为true，则所有jedis实例均是可用的
  18.         config.setTestOnBorrow(true);
  19.         pool = new JedisPool(config, "127.0.0.1", 6379, 3000);
  20.     }
  22.     public void seckill() {
  23.         // 返回锁的value值，供释放锁时候进行判断
  24.         String identifier = lock.lockWithTimeout("resource", 5000, 1000);
  25.         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得了锁");
  26.         System.out.println(--n);
  27.         lock.releaseLock("resource", identifier);
  28.     }
  29. }

模拟线程进行秒杀服务;

  1. public class ThreadA extends Thread {
  2.     private Service service;
  4.     public ThreadA(Service service) {
  5.         this.service = service;
  6.     }
  8.     @Override
  9.     public void run() {
  10.         service.seckill();
  11.     }
  12. }
  14. public class Test {
  15.     public static void main(String[] args) {
  16.         Service service = new Service();
  17.         for (int i = 0; i < 50; i++) {
  18.             ThreadA threadA = new ThreadA(service);
  19.             threadA.start();
  20.         }
  21.     }
  22. }

结果如下，结果为有序的：

分布式锁三种实现方式 - 图2

若注释掉使用锁的部分：

  1. public void seckill() {
  2.     // 返回锁的value值，供释放锁时候进行判断
  3.     //String indentifier = lock.lockWithTimeout("resource", 5000, 1000);
  4.     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得了锁");
  5.     System.out.println(--n);
  6.     //lock.releaseLock("resource", indentifier);
  7. }

从结果可以看出，有一些是异步进行的：

分布式锁三种实现方式 - 图3

三， 基于Zookeeper实现分布式锁

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。

这里推荐一个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。

实现源码如下：

  1. import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
  2. import org.apache.commons.lang.StringUtils;
  3. import org.apache.curator.framework.CuratorFramework;
  4. import org.apache.curator.framework.CuratorFrameworkFactory;
  5. import org.apache.curator.retry.RetryNTimes;
  6. import org.apache.zookeeper.CreateMode;
  7. import org.apache.zookeeper.data.Stat;
  8. import org.springframework.beans.factory.annotation.Value;
  9. import org.springframework.context.annotation.Bean;
  10. import org.springframework.stereotype.Component;
  12. /**
  13.  * 分布式锁Zookeeper实现
  14.  *
  15.  */
  16. @Slf4j
  17. @Component
  18. public class ZkLock implements DistributionLock {
  19. private String zkAddress = "zk_adress";
  20.     private static final String root = "package root";
  21.     private CuratorFramework zkClient;
  23.     private final String LOCK_PREFIX = "/lock_";
  25.     @Bean
  26.     public DistributionLock initZkLock() {
  27.         if (StringUtils.isBlank(root)) {
  28.             throw new RuntimeException("zookeeper 'root' can't be null");
  29.         }
  30.         zkClient = CuratorFrameworkFactory
  31.                 .builder()
  32.                 .connectString(zkAddress)
  33.                 .retryPolicy(new RetryNTimes(2000, 20000))
  34.                 .namespace(root)
  35.                 .build();
  36.         zkClient.start();
  37.         return this;
  38.     }
  40.     public boolean tryLock(String lockName) {
  41.         lockName = LOCK_PREFIX+lockName;
  42.         boolean locked = true;
  43.         try {
  44.             Stat stat = zkClient.checkExists().forPath(lockName);
  45.             if (stat == null) {
  46.                 log.info("tryLock:{}", lockName);
  47.                 stat = zkClient.checkExists().forPath(lockName);
  48.                 if (stat == null) {
  49.                     zkClient
  50.                             .create()
  51.                             .creatingParentsIfNeeded()
  52.                             .withMode(CreateMode.EPHEMERAL)
  53.                             .forPath(lockName, "1".getBytes());
  54.                 } else {
  55.                     log.warn("double-check stat.version:{}", stat.getAversion());
  56.                     locked = false;
  57.                 }
  58.             } else {
  59.                 log.warn("check stat.version:{}", stat.getAversion());
  60.                 locked = false;
  61.             }
  62.         } catch (Exception e) {
  63.             locked = false;
  64.         }
  65.         return locked;
  66.     }
  68.     public boolean tryLock(String key, long timeout) {
  69.         return false;
  70.     }
  72.     public void release(String lockName) {
  73.         lockName = LOCK_PREFIX+lockName;
  74.         try {
  75.             zkClient
  76.                     .delete()
  77.                     .guaranteed()
  78.                     .deletingChildrenIfNeeded()
  79.                     .forPath(lockName);
  80.             log.info("release:{}", lockName);
  81.         } catch (Exception e) {
  82.             log.error("删除", e);
  83.         }
  84.     }
  86.     public void setZkAddress(String zkAddress) {
  87.         this.zkAddress = zkAddress;
  88.     }
  89. }

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。

四，对比

数据库分布式锁实现
缺点：

1.db操作性能较差，并且有锁表的风险
2.非阻塞操作失败后，需要轮询，占用cpu资源;
3.长时间不commit或者长时间轮询，可能会占用较多连接资源

Redis(缓存)分布式锁实现
缺点：

1.锁删除失败 过期时间不好控制
2.非阻塞，操作失败后，需要轮询，占用cpu资源;

ZK分布式锁实现
缺点：性能不如redis实现，主要原因是写操作（获取锁释放锁）都需要在Leader上执行，然后同步到follower。
总之：ZooKeeper有较好的性能和可靠性。

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从可靠性角度（从高到低）Zookeeper > 缓存 > 数据库