漫画:什么是分布式锁?

来自:程序员小灰(微信号:chengxuyuanxiaohui),作者:小灰





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分布式锁的实现有哪些?


1.Memcached分布式锁


利用Memcached的add命令。此命令是原子性操作,只有在key不存在的情况下,才能add成功,也就意味着线程得到了锁。


2.Redis分布式锁


和Memcached的方式类似,利用Redis的setnx命令。此命令同样是原子性操作,只有在key不存在的情况下,才能set成功。(setnx命令并不完善,后续会介绍替代方案


3.Zookeeper分布式锁


利用Zookeeper的顺序临时节点,来实现分布式锁和等待队列。Zookeeper设计的初衷,就是为了实现分布式锁服务的。


4.Chubby


Google公司实现的粗粒度分布式锁服务,底层利用了Paxos一致性算法。







如何用Redis实现分布式锁?


Redis分布式锁的基本流程并不难理解,但要想写得尽善尽美,也并不是那么容易。在这里,我们需要先了解分布式锁实现的三个核心要素:


1.加锁


最简单的方法是使用setnx命令。key是锁的唯一标识,按业务来决定命名。比如想要给一种商品的秒杀活动加锁,可以给key命名为 “lock_sale_商品ID” 。value设置成什么呢?我们可以姑且设置成1。加锁的伪代码如下:    


setnx(key,1)


当一个线程执行setnx返回1,说明key原本不存在,该线程成功得到了锁;当一个线程执行setnx返回0,说明key已经存在,该线程抢锁失败。



2.解锁


有加锁就得有解锁。当得到锁的线程执行完任务,需要释放锁,以便其他线程可以进入。释放锁的最简单方式是执行del指令,伪代码如下:


del(key)


释放锁之后,其他线程就可以继续执行setnx命令来获得锁。



3.锁超时


锁超时是什么意思呢?如果一个得到锁的线程在执行任务的过程中挂掉,来不及显式地释放锁,这块资源将会永远被锁住,别的线程再也别想进来。


所以,setnx的key必须设置一个超时时间,以保证即使没有被显式释放,这把锁也要在一定时间后自动释放。setnx不支持超时参数,所以需要额外的指令,伪代码如下:


expire(key, 30)



综合起来,我们分布式锁实现的第一版伪代码如下:


if(setnx(key,1) == 1){

    expire(key,30)

    try {

        do something ......

    } finally {

        del(key)

    }

}










好端端的代码,怎么就回家等通知了呢?


因为上面的伪代码中,存在着三个致命问题:


1. setnx和expire的非原子性


设想一个极端场景,当某线程执行setnx,成功得到了锁:




setnx刚执行成功,还未来得及执行expire指令,节点1 Duang的一声挂掉了。





这样一来,这把锁就没有设置过期时间,变得“长生不老”,别的线程再也无法获得锁了。


怎么解决呢?setnx指令本身是不支持传入超时时间的,幸好Redis 2.6.12以上版本为set指令增加了可选参数,伪代码如下:


set(key,1,30,NX)


这样就可以取代setnx指令。



2. del 导致误删


又是一个极端场景,假如某线程成功得到了锁,并且设置的超时时间是30秒。




如果某些原因导致线程A执行的很慢很慢,过了30秒都没执行完,这时候锁过期自动释放,线程B得到了锁。




随后,线程A执行完了任务,线程A接着执行del指令来释放锁。但这时候线程B还没执行完,线程A实际上删除的是线程B加的锁




怎么避免这种情况呢?可以在del释放锁之前做一个判断,验证当前的锁是不是自己加的锁。


至于具体的实现,可以在加锁的时候把当前的线程ID当做value,并在删除之前验证key对应的value是不是自己线程的ID。


加锁:

String threadId = Thread.currentThread().getId()

set(key,threadId ,30,NX)


解锁:

if(threadId .equals(redisClient.get(key))){

    del(key)

}


但是,这样做又隐含了一个新的问题,判断和释放锁是两个独立操作,不是原子性


我们都是追求极致的程序员,所以这一块要用Lua脚本来实现:


String luaScript = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then returnredis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";


redisClient.eval(luaScript , Collections.singletonList(key), Collections.singletonList(threadId));


这样一来,验证和删除过程就是原子操作了。



3. 出现并发的可能性


还是刚才第二点所描述的场景,虽然我们避免了线程A误删掉key的情况,但是同一时间有A,B两个线程在访问代码块,仍然是不完美的。


怎么办呢?我们可以让获得锁的线程开启一个守护线程,用来给快要过期的锁“续航”。




当过去了29秒,线程A还没执行完,这时候守护线程会执行expire指令,为这把锁“续命”20秒。守护线程从第29秒开始执行,每20秒执行一次。




当线程A执行完任务,会显式关掉守护线程。




另一种情况,如果节点1 忽然断电,由于线程A和守护线程在同一个进程,守护线程也会停下。这把锁到了超时的时候,没人给它续命,也就自动释放了。




守护线程的代码并不难实现,有了大体思路,大家可以自己尝试实现一下。










几点补充:


本漫画纯属娱乐,还请大家尽量珍惜当下的工作,切勿模仿小灰的行为哦。

来自:程序员小灰(微信号:chengxuyuanxiaohui),作者:小灰

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