搞懂Java分布式鎖實(shí)現(xiàn)看這篇文章就對了

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前言：

隨著微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們只需花幾百美元就能買到一個(gè)CPU芯片，這個(gè)芯片每秒鐘執(zhí)行的指令比80年代最大的大型機(jī)的處理機(jī)每秒鐘所執(zhí)行的指令還多。如果你愿意付出兩倍的價(jià)錢，將得到同樣的CPU，但它卻以更高的時(shí)鐘速率運(yùn)行。因此，最節(jié)約成本的辦法通常是在一個(gè)系統(tǒng)中使用集中在一起的大量的廉價(jià)CPU。所以，傾向于分布式系統(tǒng)的主要原因是它可以潛在地得到比單個(gè)的大型集中式系統(tǒng)好得多的性價(jià)比。實(shí)際上，分布式系統(tǒng)是通過較低廉的價(jià)格來實(shí)現(xiàn)相似的性能的。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的興起，越來越多的人使用者互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。一般互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)都是分布式部署的，分布式部署確實(shí)能帶來性能和效率上的提升，提升效率的同事，我們還需要注意，保證一個(gè)分布式環(huán)境下數(shù)據(jù)一致性的問題。

分布式鎖簡述

在單機(jī)時(shí)代，雖然不存在分布式鎖，但也會面臨資源互斥的情況，只不過在單機(jī)的情況下，如果有多個(gè)線程要同時(shí)訪問某個(gè)共享資源的時(shí)候，我們可以采用線程間加鎖的機(jī)制，即當(dāng)某個(gè)線程獲取到這個(gè)資源后，就需要對這個(gè)資源進(jìn)行加鎖，當(dāng)使用完資源之后，再解鎖，其它線程就可以接著使用了。例如，在JAVA中，甚至專門提供了一些處理鎖機(jī)制的一些API（synchronize/Lock等）。

但是到了分布式系統(tǒng)的時(shí)代，這種線程之間的鎖機(jī)制，就沒作用了，系統(tǒng)可能會有多份并且部署在不同的機(jī)器上，這些資源已經(jīng)不是在線程之間共享了，而是屬于進(jìn)程之間共享的資源。因此，為了解決這個(gè)問題，「分布式鎖」就強(qiáng)勢登場了。

分布式鎖是控制分布式系統(tǒng)之間同步訪問共享資源的一種方式。在分布式系統(tǒng)中，常常需要協(xié)調(diào)他們的動(dòng)作。如果不同的系統(tǒng)或是同一個(gè)系統(tǒng)的不同主機(jī)之間共享了一個(gè)或一組資源，那么訪問這些資源的時(shí)候，往往需要互斥來防止彼此干擾來保證一致性，在這種情況下，便需要使用到分布式鎖。

在分布式系統(tǒng)中，常常需要協(xié)調(diào)他們的動(dòng)作。如果不同的系統(tǒng)或是同一個(gè)系統(tǒng)的不同主機(jī)之間共享了一個(gè)或一組資源，那么訪問這些資源的時(shí)候，往往需要互斥來防止彼此干擾來保證一致性，這個(gè)時(shí)候，便需要使用到分布式鎖。

分布式鎖要滿足哪些要求呢？

• 排他性： 在同一時(shí)間只會有一個(gè)客戶端能獲取到鎖，其它客戶端無法同時(shí)獲取

• 避免死鎖： 這把鎖在一段有限的時(shí)間之后，一定會被釋放（正常釋放或異常釋放）

• 高可用： 獲取或釋放鎖的機(jī)制必須高可用且性能佳

• ...

目前相對主流的有三種，從實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度上來看，從上往下難度依次增加：

• 數(shù)據(jù)庫(MySQL)

• redis

• ZooKeeper

v 基于數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)

基于數(shù)據(jù)庫來做分布式鎖的話，通常有兩種做法：

• 基于數(shù)據(jù)庫的樂觀鎖

• 基于數(shù)據(jù)庫的悲觀鎖

樂觀鎖

樂觀鎖的特點(diǎn)先進(jìn)行業(yè)務(wù)操作，不到萬不得已不去拿鎖。即“樂觀”的認(rèn)為拿鎖多半是會成功的，因此在進(jìn)行完業(yè)務(wù)操作需要實(shí)際更新數(shù)據(jù)的最后一步再去拿一下鎖就好。

樂觀鎖機(jī)制其實(shí)就是在數(shù)據(jù)庫表中引入一個(gè)版本號（version）字段來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)我們要從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候，同時(shí)把這個(gè)version字段也讀出來，如果要對讀出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新后寫回?cái)?shù)據(jù)庫，則需要將version加1，同時(shí)將新的數(shù)據(jù)與新的version更新到數(shù)據(jù)表中，且必須在更新的時(shí)候同時(shí)檢查目前數(shù)據(jù)庫里version值是不是之前的那個(gè)version，如果是，則正常更新。如果不是，則更新失敗，說明在這個(gè)過程中有其它的進(jìn)程去更新過數(shù)據(jù)了。

看圖敘事。模擬實(shí)戰(zhàn)場景。

 

如上圖，故事男主人公(以下簡稱男主)打算去ATM機(jī)取3000元，故事女主人公(以下簡稱女主)則要在某寶買買買，買個(gè)包需要3000元，賬戶的余額是5000元。如果沒有采用鎖的話，在兩人同時(shí)取款和買買買，可能會出現(xiàn)合計(jì)消費(fèi)了6000，導(dǎo)致賬戶余額異常。所以需要用到鎖的機(jī)制，當(dāng)男主女主甚至更多小主同時(shí)消費(fèi)時(shí)，除了讀取到6000的賬戶余額外，還需要讀取到當(dāng)前的版本號version=1，等先行消費(fèi)成功的主人公(無論誰先消費(fèi))去出發(fā)修改賬戶余額的同時(shí)，會觸發(fā)version=version+1，即version=2。那么其他人使用未更新的version(1)去更新賬戶余額時(shí)就會發(fā)現(xiàn)版本號不對，就會導(dǎo)致本次更新失敗，就得重新去讀取最新賬戶余額以及版本號。

樂觀鎖遵循的兩點(diǎn)法則：

• 鎖服務(wù)要有遞增的版本號version

• 每次更新數(shù)據(jù)的時(shí)候都必須先判斷版本號對不對，然后再寫入新的版本號

悲觀鎖

悲觀鎖的特點(diǎn)是先獲取鎖，再進(jìn)行業(yè)務(wù)操作，即“悲觀”的認(rèn)為獲取鎖是非常有可能失敗的，因此要先確保獲取鎖成功再進(jìn)行業(yè)務(wù)操作。

通常所說的“一鎖二查三更新”即指的是使用悲觀鎖。通常來講在數(shù)據(jù)庫上的悲觀鎖需要數(shù)據(jù)庫本身提供支持，即通過常用的 select ... for update 操作來實(shí)現(xiàn)悲觀鎖。當(dāng)數(shù)據(jù)庫執(zhí)行 select for update 時(shí)會獲取被 select 中的數(shù)據(jù)行的行鎖，因此其他并發(fā)執(zhí)行的 select for update 如果試圖選中同一行則會發(fā)生排斥（需要等待行鎖被釋放），因此達(dá)到鎖的效果。 select for update 獲取的行鎖會在當(dāng)前事務(wù)結(jié)束時(shí)自動(dòng)釋放，因此必須在事務(wù)中使用。

示例：

/** * 消費(fèi)以后更新銀行余額 * @param bankId 銀行卡號 * @param cost 消費(fèi)金額 * @return */ public boolean consume(Long bankId, Integer cost){ //先鎖定銀行賬戶 BankAccount product = query("SELECT * FROM bank_account WHERE bank_id=#{bankId} FOR UPDATE", bankId); if (product.getNumber() > 0) { int updateCnt = update("UPDATE tb_product_stock SET number=#{cost} WHERE product_id=#{productId}", cost, bankId); if(updateCnt > 0){ //更新庫存成功 return true; } } return false; }

樂觀鎖與悲觀鎖的區(qū)別

樂觀鎖的思路一般是表中增加版本字段，更新時(shí)where語句中增加版本的判斷，算是一種CAS（Compare And Swep）操作，銀行消費(fèi)場景中version起到了版本控制的作用（ AND version=#{version} ）。

悲觀鎖之所以是悲觀，在于他認(rèn)為本次操作會發(fā)生并發(fā)沖突，所以一開始就對銀行賬戶加上鎖（ SELECT ... FOR UPDATE ），然后就可以安心的做判斷和更新，因?yàn)檫@時(shí)候不會有別人更新賬戶余額。

v 基于Redis實(shí)現(xiàn)

基于Redis實(shí)現(xiàn)的鎖機(jī)制，主要是依賴redis自身的原子操作，例如：

SET user_key user_value NX PX 100

redis從2.6.12版本開始，SET命令才支持這些參數(shù)：

NX：只在在鍵不存在時(shí)，才對鍵進(jìn)行設(shè)置操作， SET key value NX 效果等同于 SETNX key value

PX millisecond：設(shè)置鍵的過期時(shí)間為millisecond毫秒，當(dāng)超過這個(gè)時(shí)間后，設(shè)置的鍵會自動(dòng)失效

上述代碼示例是指，當(dāng)redis中不存在user_key這個(gè)鍵的時(shí)候，才會去設(shè)置一個(gè)user_key鍵，并且給這個(gè)鍵的值設(shè)置為 user_value，且這個(gè)鍵的存活時(shí)間為100ms

為什么這個(gè)命令可以幫我們實(shí)現(xiàn)鎖機(jī)制呢？

因?yàn)檫@個(gè)命令是只有在某個(gè)key不存在的時(shí)候，才會執(zhí)行成功。那么當(dāng)多個(gè)進(jìn)程同時(shí)并發(fā)的去設(shè)置同一個(gè)key的時(shí)候，就永遠(yuǎn)只會有一個(gè)進(jìn)程成功。當(dāng)某個(gè)進(jìn)程設(shè)置成功之后，就可以去執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯了，等業(yè)務(wù)邏輯執(zhí)行完畢之后，再去進(jìn)行解鎖。

解鎖很簡單，只需要?jiǎng)h除這個(gè)key就可以了，不過刪除之前需要判斷，這個(gè)key對應(yīng)的value是當(dāng)初自己設(shè)置的那個(gè)。

另外，針對redis集群模式的分布式鎖，可以采用redis的  Redlock  (可能會被墻)機(jī)制。

v 基于ZooKeeper實(shí)現(xiàn)

其實(shí)基于ZooKeeper，就是使用它的臨時(shí)有序節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的分布式鎖。

原理

當(dāng)某客戶端要進(jìn)行邏輯的加鎖時(shí)，就在zookeeper上的某個(gè)指定節(jié)點(diǎn)的目錄下，去生成一個(gè)唯一的臨時(shí)有序節(jié)點(diǎn)， 然后判斷自己是否是這些有序節(jié)點(diǎn)中序號最小的一個(gè)，如果是，則算是獲取了鎖。如果不是，則說明沒有獲取到鎖，那么就需要在序列中找到比自己小的那個(gè)節(jié)點(diǎn)，并對其調(diào)用 exist() 方法，對其注冊事件監(jiān)聽，當(dāng)監(jiān)聽到這個(gè)節(jié)點(diǎn)被刪除了，那就再去判斷一次自己當(dāng)初創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)是否變成了序列中最小的。如果是，則獲取鎖，如果不是，則重復(fù)上述步驟。

當(dāng)釋放鎖的時(shí)候，只需將這個(gè)臨時(shí)節(jié)點(diǎn)刪除即可。

 

如上圖，locker是一個(gè)持久節(jié)點(diǎn)， node_1/node_2/.../node_n 就是上面說的臨時(shí)節(jié)點(diǎn)，由客戶端client去創(chuàng)建的。

client_1/client_2/.../clien_n 都是想去獲取鎖的客戶端。以client_1為例，它想去獲取分布式鎖，則需要跑到locker下面去創(chuàng)建臨時(shí)節(jié)點(diǎn)（假如是node_1）創(chuàng)建完畢后，看一下自己的節(jié)點(diǎn)序號是否是locker下面最小的，如果是，則獲取了鎖。如果不是，則去找到比自己小的那個(gè)節(jié)點(diǎn)（假如是node_2），找到后，就監(jiān)聽node_2，直到node_2被刪除，那么就開始再次判斷自己的node_1是不是序列中最小的，如果是，則獲取鎖，如果還不是，則繼續(xù)找一下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

總結(jié)：

分布式鎖有很多種，開篇說的"相對主流的有三種"只是針對我所遇到的。分布式鎖未來肯定是千變?nèi)f化的，無論你身處一個(gè)什么樣的公司，最開始的工作可能都得盡可能的從簡單的做起。希望大家能根據(jù)所在公司業(yè)務(wù)場景，選擇適合所在項(xiàng)目的方案。

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