一、CAP理論

目前幾乎很多大型網(wǎng)站及應(yīng)用都是分布式部署的趣席，分布式場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)一致性問題一直是一個(gè)比較重要的話題商蕴。分布式的CAP理論告訴我們“任何一個(gè)分布式系統(tǒng)都無法同時(shí)滿足一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分區(qū)容錯(cuò)性（Partition tolerance）夭禽，最多只能同時(shí)滿足兩項(xiàng)或颊≡椅桑”所以传于，很多系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初就要對(duì)這三者做出取舍。在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的絕大多數(shù)的場(chǎng)景中批糟，都需要犧牲強(qiáng)一致性來換取系統(tǒng)的高可用性格了，系統(tǒng)往往只需要保證“最終一致性”，只要這個(gè)最終時(shí)間是在用戶可以接受的范圍內(nèi)即可徽鼎。

二盛末、分布式鎖的幾種實(shí)現(xiàn)方式

在很多場(chǎng)景中，我們?yōu)榱吮ＷC數(shù)據(jù)的最終一致性否淤，需要很多的技術(shù)方案來支持悄但，比如分布式事務(wù)、分布式鎖等石抡。有的時(shí)候檐嚣，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)境中啰扛，Java中其實(shí)提供了很多并發(fā)處理相關(guān)的API嚎京，但是這些API在分布式場(chǎng)景中就無能為力了。也就是說單純的Java Api并不能提供分布式鎖的能力隐解。所以針對(duì)分布式鎖的實(shí)現(xiàn)目前有多種方案鞍帝。

針對(duì)分布式鎖的實(shí)現(xiàn)，目前比較常用的有以下幾種方案：
基于數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)分布式鎖煞茫、基于緩存（redis帕涌，memcached，tair）實(shí)現(xiàn)分布式鎖续徽、 基于Zookeeper實(shí)現(xiàn)分布式鎖

在分析這幾種實(shí)現(xiàn)方案之前我們先來想一下蚓曼，我們需要的分布式鎖應(yīng)該是怎么樣的？（這里以方法鎖為例钦扭，資源鎖同理）

• 可以保證在分布式部署的應(yīng)用集群中纫版，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

三土全、基于數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)的分布式鎖

基于數(shù)據(jù)庫表
要實(shí)現(xiàn)分布式鎖捎琐，最簡(jiǎn)單的方式可能就是直接創(chuàng)建一張鎖表，然后通過操作該表中的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)了裹匙。
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末秃，想要釋放鎖的時(shí)候就刪除這條記錄概页。

上面這種簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)有以下幾個(gè)問題：

• 這把鎖強(qiáng)依賴數(shù)據(jù)庫的可用性，數(shù)據(jù)庫是一個(gè)單點(diǎn)练慕，一旦數(shù)據(jù)庫掛掉惰匙，會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)系統(tǒng)不可用技掏。
• 這把鎖沒有失效時(shí)間，一旦解鎖操作失敗项鬼，就會(huì)導(dǎo)致鎖記錄一直在數(shù)據(jù)庫中哑梳，其他線程無法再獲得到鎖。
• 這把鎖只能是非阻塞的绘盟，因?yàn)閿?shù)據(jù)的insert操作鸠真，一旦插入失敗就會(huì)直接報(bào)錯(cuò)。沒有獲得鎖的線程并不會(huì)進(jìn)入排隊(duì)隊(duì)列龄毡，要想再次獲得鎖就要再次觸發(fā)獲得鎖操作吠卷。
• 這把鎖是非重入的，同一個(gè)線程在沒有釋放鎖之前無法再次獲得該鎖沦零。因?yàn)閿?shù)據(jù)中數(shù)據(jù)已經(jīng)存在了祭隔。

當(dāng)然，我們也可以有其他方式解決上面的問題路操。

• 數(shù)據(jù)庫是單點(diǎn)疾渴？搞兩個(gè)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)之前雙向同步屯仗。一旦掛掉快速切換到備庫上搞坝。
• 沒有失效時(shí)間？只要做一個(gè)定時(shí)任務(wù)祭钉，每隔一定時(shí)間把數(shù)據(jù)庫中的超時(shí)數(shù)據(jù)清理一遍瞄沙。
• 非阻塞的？搞一個(gè)while循環(huán)慌核，直到insert成功再返回成功距境。
• 非重入的？在數(shù)據(jù)庫表中加個(gè)字段垮卓，記錄當(dāng)前獲得鎖的機(jī)器的主機(jī)信息和線程信息垫桂，那么下次再獲取鎖的時(shí)候先查詢數(shù)據(jù)庫，如果當(dāng)前機(jī)器的主機(jī)信息和線程信息在數(shù)據(jù)庫可以查到的話粟按，直接把鎖分配給他就可以了诬滩。

基于數(shù)據(jù)庫排他鎖
除了可以通過增刪操作數(shù)據(jù)表中的記錄以外，其實(shí)還可以借助數(shù)據(jù)中自帶的鎖來實(shí)現(xiàn)分布式的鎖灭将。

我們還用剛剛創(chuàng)建的那張數(shù)據(jù)庫表疼鸟。可以通過數(shù)據(jù)庫的排他鎖來實(shí)現(xiàn)分布式鎖庙曙。 基于MySql的InnoDB引擎空镜，可以使用以下方法來實(shí)現(xiàn)加鎖操作：

image.png

在查詢語句后面增加for update，數(shù)據(jù)庫會(huì)在查詢過程中給數(shù)據(jù)庫表增加排他鎖（這里再多提一句，InnoDB引擎在加鎖的時(shí)候吴攒，只有通過索引進(jìn)行檢索的時(shí)候才會(huì)使用行級(jí)鎖张抄，否則會(huì)使用表級(jí)鎖。這里我們希望使用行級(jí)鎖洼怔，就要給method_name添加索引署惯，值得注意的是，這個(gè)索引一定要?jiǎng)?chuàng)建成唯一索引镣隶，否則會(huì)出現(xiàn)多個(gè)重載方法之間無法同時(shí)被訪問的問題极谊。重載方法的話建議把參數(shù)類型也加上。）矾缓。當(dāng)某條記錄被加上排他鎖之后怀酷，其他線程無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嗜闻，當(dāng)獲取到鎖之后蜕依，可以執(zhí)行方法的業(yè)務(wù)邏輯，執(zhí)行完方法之后琉雳，再通過以下方法解鎖：

image.png

通過connection.commit()操作來釋放鎖样眠。

這種方法可以有效的解決上面提到的無法釋放鎖和阻塞鎖的問題。

• 阻塞鎖翠肘？ for update語句會(huì)在執(zhí)行成功后立即返回檐束，在執(zhí)行失敗時(shí)一直處于阻塞狀態(tài)，直到成功束倍。
• 鎖定之后服務(wù)宕機(jī)祖驱，無法釋放兵扬？使用這種方式肛循，服務(wù)宕機(jī)之后數(shù)據(jù)庫會(huì)自己把鎖釋放掉走净。

但是還是無法直接解決數(shù)據(jù)庫單點(diǎn)和可重入問題。

這里還可能存在另外一個(gè)問題邮旷，雖然我們對(duì)method_name 使用了唯一索引黄选，并且顯示使用for update來使用行級(jí)鎖。但是婶肩，MySql會(huì)對(duì)查詢進(jìn)行優(yōu)化办陷，即便在條件中使用了索引字段，但是否使用索引來檢索數(shù)據(jù)是由 MySQL 通過判斷不同執(zhí)行計(jì)劃的代價(jià)來決定的律歼，如果 MySQL 認(rèn)為全表掃效率更高民镜，比如對(duì)一些很小的表，它就不會(huì)使用索引险毁，這種情況下 InnoDB 將使用表鎖殃恒，而不是行鎖植旧。如果發(fā)生這種情況就悲劇了辱揭。离唐。。

還有一個(gè)問題问窃，就是我們要使用排他鎖來進(jìn)行分布式鎖的lock亥鬓，那么一個(gè)排他鎖長(zhǎng)時(shí)間不提交，就會(huì)占用數(shù)據(jù)庫連接域庇。一旦類似的連接變得多了嵌戈，就可能把數(shù)據(jù)庫連接池?fù)伪?/p>

總結(jié)
總結(jié)一下使用數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)分布式鎖的方式，這兩種方式都是依賴數(shù)據(jù)庫的一張表听皿，一種是通過表中的記錄的存在情況確定當(dāng)前是否有鎖存在熟呛，另外一種是通過數(shù)據(jù)庫的排他鎖來實(shí)現(xiàn)分布式鎖。
數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)分布式鎖的優(yōu)點(diǎn)：直接借助數(shù)據(jù)庫尉姨，容易理解庵朝。

數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)分布式鎖的缺點(diǎn)：

• 會(huì)有各種各樣的問題，在解決問題的過程中會(huì)使整個(gè)方案變得越來越復(fù)雜又厉。
• 操作數(shù)據(jù)庫需要一定的開銷九府，性能問題需要考慮。
• 使用數(shù)據(jù)庫的行級(jí)鎖并不一定靠譜覆致，尤其是當(dāng)我們的鎖表并不大的時(shí)候侄旬。

四、基于緩存實(shí)現(xiàn)分布式鎖

相比較于基于數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)分布式鎖的方案來說煌妈，基于緩存來實(shí)現(xiàn)在性能方面會(huì)表現(xiàn)的更好一點(diǎn)儡羔。而且很多緩存是可以集群部署的，可以解決單點(diǎn)問題璧诵。
目前有很多成熟的緩存產(chǎn)品汰蜘，包括Redis，memcached以及Tair腮猖。
這里以Tair為例來分析下使用緩存實(shí)現(xiàn)分布式鎖的方案鉴扫。關(guān)于Redis和memcached在網(wǎng)絡(luò)上有很多相關(guān)的文章，并且也有一些成熟的框架及算法可以直接使用澈缺。
基于Tair的實(shí)現(xiàn)分布式鎖其實(shí)和Redis類似坪创，其中主要的實(shí)現(xiàn)方式是使用TairManager.put方法來實(shí)現(xiàn)。

總結(jié)
可以使用緩存來代替數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)分布式鎖姐赡，這個(gè)可以提供更好的性能莱预，同時(shí)，很多緩存服務(wù)都是集群部署的项滑，可以避免單點(diǎn)問題依沮。并且很多緩存服務(wù)都提供了可以用來實(shí)現(xiàn)分布式鎖的方法，比如Tair的put方法，redis的setnx方法等危喉。并且宋渔，這些緩存服務(wù)也都提供了對(duì)數(shù)據(jù)的過期自動(dòng)刪除的支持，可以直接設(shè)置超時(shí)時(shí)間來控制鎖的釋放辜限。

使用緩存實(shí)現(xiàn)分布式鎖的優(yōu)點(diǎn)：

• 性能好皇拣，實(shí)現(xiàn)起來較為方便。
• 使用緩存實(shí)現(xiàn)分布式鎖的缺點(diǎn)
• 通過超時(shí)時(shí)間來控制鎖的失效時(shí)間并不是十分的靠譜薄嫡。

五氧急、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)毫深，在zookeeper上的與該方法對(duì)應(yīng)的指定節(jié)點(diǎn)的目錄下吩坝，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)單哑蔫，只需要判斷有序節(jié)點(diǎn)中序號(hào)最小的一個(gè)钉寝。 當(dāng)釋放鎖的時(shí)候，只需將這個(gè)瞬時(shí)節(jié)點(diǎn)刪除即可鸳址。同時(shí)瘩蚪，其可以避免服務(wù)宕機(jī)導(dǎo)致的鎖無法釋放，而產(chǎn)生的死鎖問題稿黍。

來看下Zookeeper能不能解決前面提到的問題疹瘦。

• 鎖無法釋放？使用Zookeeper可以有效的解決鎖無法釋放的問題巡球，因?yàn)樵趧?chuàng)建鎖的時(shí)候言沐，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）酣栈，那么這個(gè)臨時(shí)節(jié)點(diǎn)就會(huì)自動(dòng)刪除掉险胰。其他客戶端就可以再次獲得鎖。
• 非阻塞鎖矿筝？使用Zookeeper可以實(shí)現(xiàn)阻塞的鎖起便，客戶端可以通過在ZK中創(chuàng)建順序節(jié)點(diǎn)，并且在節(jié)點(diǎn)上綁定監(jiān)聽器窖维，一旦節(jié)點(diǎn)有變化榆综，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)最小的铸史，如果是鼻疮，那么自己就獲取到鎖，便可以執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯了琳轿。
• 不可重入判沟？使用Zookeeper也可以有效的解決不可重入的問題耿芹，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入到節(jié)點(diǎn)中挪哄，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)一下就可以了吧秕。如果和自己的信息一樣，那么自己直接獲取到鎖中燥，如果不一樣就再創(chuàng)建一個(gè)臨時(shí)的順序節(jié)點(diǎn)寇甸，參與排隊(duì)。
• 單點(diǎn)問題疗涉？使用Zookeeper可以有效的解決單點(diǎn)問題，ZK是集群部署的吟秩，只要集群中有半數(shù)以上的機(jī)器存活咱扣，就可以對(duì)外提供服務(wù)。

可以直接使用zookeeper第三方庫Curator客戶端涵防，這個(gè)客戶端中封裝了一個(gè)可重入的鎖服務(wù)闹伪。

image.png

Curator提供的InterProcessMutex是分布式鎖的實(shí)現(xiàn)。acquire方法用戶獲取鎖壮池，release方法用于釋放鎖偏瓤。

使用ZK實(shí)現(xiàn)的分布式鎖好像完全符合了本文開頭我們對(duì)一個(gè)分布式鎖的所有期望。但是椰憋，其實(shí)并不是厅克，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有緩存服務(wù)那么高橙依。因?yàn)槊看卧趧?chuàng)建鎖和釋放鎖的過程中证舟，都要?jiǎng)討B(tài)創(chuàng)建、銷毀瞬時(shí)節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)鎖功能窗骑。ZK中創(chuàng)建和刪除節(jié)點(diǎn)只能通過Leader服務(wù)器來執(zhí)行女责，然后將數(shù)據(jù)同步到所有的Follower機(jī)器上。

其實(shí)创译，使用Zookeeper也有可能帶來并發(fā)問題抵知，只是并不常見而已∪碜澹考慮這樣的情況刷喜，由于網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)，客戶端可ZK集群的session連接斷了互订，那么zk以為客戶端掛了吱肌，就會(huì)刪除臨時(shí)節(jié)點(diǎn)，這時(shí)候其他客戶端就可以獲取到分布式鎖了仰禽。就可能產(chǎn)生并發(fā)問題氮墨。這個(gè)問題不常見是因?yàn)閦k有重試機(jī)制纺蛆，一旦zk集群檢測(cè)不到客戶端的心跳，就會(huì)重試规揪，Curator客戶端支持多種重試策略桥氏。多次重試之后還不行的話才會(huì)刪除臨時(shí)節(jié)點(diǎn)。（所以猛铅，選擇一個(gè)合適的重試策略也比較重要字支，要在鎖的粒度和并發(fā)之間找一個(gè)平衡。）

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)問題奸忽，不可重入問題堕伪，非阻塞問題以及鎖無法釋放的問題。實(shí)現(xiàn)起來較為簡(jiǎn)單栗菜。
• 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)分布式鎖欠雌。 需要對(duì)ZK的原理有所了解。

六疙筹、三種方案的比較

上面幾種方式富俄，哪種方式都無法做到完美。就像CAP一樣而咆，在復(fù)雜性霍比、可靠性、性能等方面無法同時(shí)滿足暴备，所以悠瞬，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景選擇最適合自己的才是王道。

從理解的難易程度角度（從低到高）
數(shù)據(jù)庫 > 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
從性能角度（從高到低）
緩存 > Zookeeper >= 數(shù)據(jù)庫
從可靠性角度（從高到低）
Zookeeper > 緩存 > 數(shù)據(jù)庫