工作中經(jīng)常會(huì)遇到爭(zhēng)搶共享資源的場(chǎng)景山卦，比如用戶搶購(gòu)秒殺商品鞋邑，如果不對(duì)商品庫(kù)存進(jìn)行保護(hù)，可能會(huì)造成超賣的情況账蓉。超賣現(xiàn)象在售賣火車票的場(chǎng)景下更加明顯枚碗，兩個(gè)人購(gòu)買到同一天同一輛列車，相同座位的情況是不允許出現(xiàn)的铸本。交易系統(tǒng)中的退款同樣如此肮雨，由于網(wǎng)絡(luò)延遲和重復(fù)提交極端時(shí)間差的情況下，可能會(huì)造成同一個(gè)用戶重復(fù)的退款請(qǐng)求归敬。以上無(wú)論是超賣酷含，還是重復(fù)退款，都是沒有對(duì)需要保護(hù)的資源或業(yè)務(wù)進(jìn)行完善的保護(hù)而造成的汪茧，從設(shè)計(jì)方面一定要避免這種情況的發(fā)生。

本文以退款交易場(chǎng)景入手限番，引入分布式鎖舱污，嘗試分析分布式鎖需要考慮關(guān)注點(diǎn)，包括以下內(nèi)容：

• 鎖的引入和局限性
• 分布式鎖的三要素
• 分布式鎖進(jìn)階
  • 獲取鎖操作的原子性
  • 鎖與保護(hù)共享資源的數(shù)據(jù)一致性
  • 分布式鎖的性能
  • 可重入
  • 公平鎖和非公平鎖
• 分布式鎖的容錯(cuò)弥虐，使用分布式鎖時(shí)注意考慮哪些問題

鎖的引入和局限性

鎖是一種控制共享資源爭(zhēng)搶的機(jī)制扩灯，采用互斥方式防止多線程（或多進(jìn)程）間造成的沖突。鎖是一種獲取保護(hù)資源的憑證霜瘪，就像公園門票珠插，只有持有門票才有資格入園；鎖是使得對(duì)同一類共享資源的訪問串行化颖对。沒有獲得鎖只能排隊(duì)等待捻撑，直到其他線程釋放掉鎖。這里需要對(duì)“同一類共享資源”正確理解缤底，比如訂單系統(tǒng)中的同一種商品庫(kù)存顾患，退款系統(tǒng)中同一個(gè)用戶。

在多線程中个唧，Java 已經(jīng)提供了很好原生鎖（包括synchronized江解，lock），前面的其他文章中也已經(jīng)講到了內(nèi)置鎖和顯示鎖的理解和使用徙歼，在此不再贅述犁河。但是（是不是已經(jīng)料到了我要說(shuō)但是了呢鳖枕？），在分布式系統(tǒng)中桨螺，因?yàn)橐邕M(jìn)程或者跨服務(wù)器 耕魄，這種場(chǎng)景下JDK原生鎖已經(jīng)無(wú)法滿足我們的需求，需要一種能夠分布式系統(tǒng)中保護(hù)共享資源的方式彭谁，分布式鎖在這種情況下產(chǎn)生了吸奴。

很多事情往往都是如此，為了解決一個(gè)問題缠局，引入了新方案则奥，而新方案卻會(huì)帶來(lái)其他的問題，又需要用更多的時(shí)間去解決新方案帶來(lái)的問題狭园。沒有一個(gè)完美的方案读处，因此對(duì)方案的取舍，就是具體場(chǎng)景中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注哪些問題唱矛，忽略哪些問題的選擇罚舱。

分布式鎖的三要素

分布式鎖是一個(gè)在分布式環(huán)境中很重要的原語(yǔ)，它表明不同進(jìn)程間采用互斥的方式操作共享資源绎谦。如何才稱得上分布式鎖呢管闷？分布式鎖需要滿足三個(gè)基本的條件：

外部存儲(chǔ)
顧名思義，分布式鎖是在分布式部署環(huán)境中給多個(gè)主機(jī)提供鎖服務(wù)窃肠。Java具有天生的多線程優(yōu)勢(shì)包个，在同一個(gè)進(jìn)程的線程中可以通過(guò)互斥鎖住共享資源來(lái)保證多線程之間干擾，鎖的載體是堆中共享變量冤留，使用JDK原生鎖synchronized和lock可以很方便的解決碧囊，但是將問題擴(kuò)展到分布式環(huán)境中，就超出了JDK原生鎖作用范疇纤怒。需要另外的存儲(chǔ)載體糯而，可以是共享內(nèi)存或者磁盤文件〔淳剑考慮到分布式鎖的高可用性熄驼，避免單點(diǎn)問題，因此共享內(nèi)存中數(shù)據(jù)是需要持久化的州既，這點(diǎn)內(nèi)容會(huì)在下文中的分布式鎖的高可用中涉及到谜洽。

全局唯一標(biāo)識(shí)
與JDK原生鎖類似，分布式鎖同樣需要標(biāo)記為全局唯一吴叶。在多線程環(huán)境中阐虚，鎖可以使一個(gè)對(duì)象引用，也可以是基本類型變量蚌卤，都有唯一的標(biāo)識(shí)來(lái)區(qū)分鎖保護(hù)的不同資源实束。仍然以上面的退款為例奥秆，為了保護(hù)用戶的賬戶資金，不允許同一個(gè)用戶并發(fā)退款咸灿。因此同一個(gè)用戶退款操作采用互斥鎖保護(hù)起來(lái)构订，不同用戶之間不需要互斥操作。具體方法一種可以通過(guò)鎖用戶賬戶的方式避矢，另一種對(duì)用戶userId設(shè)置不同的狀態(tài)標(biāo)識(shí)悼瘾，這兩種方式都是采用對(duì)堆中變量的原子操作保證互斥的。
分布式環(huán)境中上述第一種方法就不適用了审胸，舉個(gè)例子亥宿，小明的賬戶可以同時(shí)在A、B兩個(gè)不同實(shí)例中加鎖砂沛。那么可以采用第二種方法烫扼，自定義一個(gè)標(biāo)識(shí)，使其全局唯一即可碍庵，每次申請(qǐng)退款時(shí)映企，首先嘗試獲取該標(biāo)識(shí)，如果該標(biāo)識(shí)已經(jīng)被其他占用静浴，則需要等待堰氓，直到釋放該標(biāo)識(shí)（是不是與synchronized很相似）。對(duì)于交易而言马绝，全局唯一的標(biāo)識(shí)很簡(jiǎn)單：業(yè)務(wù)+userId即可唯一標(biāo)識(shí)豆赏。

至少有兩種狀態(tài)
鎖至少需要兩種狀態(tài)：加鎖（lock）和解鎖（unlock）。用狀態(tài)區(qū)分當(dāng)前嘗試獲取的鎖是否已經(jīng)被其他操作占用富稻，被占用只有等待鎖釋放后才能嘗試獲取鎖并加鎖，保護(hù)共享資源白胀。

分布式鎖進(jìn)階

為解決共享資源在分布式環(huán)境下并發(fā)訪問帶來(lái)的問題椭赋，引入分布式鎖采用互斥訪問的方式將并發(fā)訪問串行化。下文中以Redis為例或杠，分析使用分布式鎖時(shí)重點(diǎn)需要考慮的情況哪怔。

獲取鎖操作的原子性
從讀取鎖的狀態(tài)，到設(shè)置鎖狀態(tài)為加鎖（獲取鎖的過(guò)程）向抢，不是原子性的操作认境，如果不能保證這兩步作為一個(gè)的原子操作，可能存在競(jìng)態(tài)條件挟鸠，在極端的時(shí)間差的情況下叉信，會(huì)有多個(gè)服務(wù)同時(shí)獲取到同一個(gè)鎖，從而獲取操作工作資源的憑證艘希，這是不允許的硼身。幸運(yùn)的是Redis提供了CAS原子性功能SETNX硅急，是「SET if Not eXists」的縮寫，也就是只有不存在的時(shí)候才設(shè)置佳遂。

鎖與保護(hù)共享資源的數(shù)據(jù)一致性
獲取鎖與開始操作共享資源必須保證一致性营袜，結(jié)束操作共享資源和釋放鎖必須保證一致性。共享資源操作結(jié)束后必須釋放鎖丑罪，退出臨界區(qū)荚板，否則會(huì)造成鎖饑餓；開始操作共享資源吩屹，必須是在獲取鎖之后跪另，否則鎖就無(wú)法保護(hù)共享資源。

分布式鎖的性能
分布式鎖需要考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間祟峦，超時(shí)時(shí)間同樣需要考慮網(wǎng)絡(luò)時(shí)間消耗罚斗。

可重入
某個(gè)請(qǐng)求試圖獲得一個(gè)已經(jīng)由它自己持有的鎖，那么這個(gè)請(qǐng)求就會(huì)成功宅楞，這是重入针姿。當(dāng)重入時(shí)需要將計(jì)數(shù)器加一，釋放鎖時(shí)厌衙，計(jì)數(shù)器相應(yīng)減一距淫，一般分布式鎖同樣支持可重入，因此需要設(shè)計(jì)標(biāo)記不同的請(qǐng)求婶希。

公平鎖和非公平鎖
公平鎖設(shè)定按照請(qǐng)求的順序獲取鎖榕暇，不允許插隊(duì)。公平是個(gè)好東西喻杈，不過(guò)大多數(shù)情況下非公平鎖的性能要高于公平鎖彤枢。

分布式鎖的容錯(cuò)

正常情況下，加鎖筒饰，執(zhí)行保護(hù)資源缴啡，釋放鎖。如果沒有異常瓷们，那這世界就太美好了业栅。那么生產(chǎn)環(huán)境中，使用分布式鎖時(shí)應(yīng)該注意哪些容錯(cuò)的問題谬晕。

鎖無(wú)法釋放
以退款為例碘裕，退款服務(wù)宕機(jī)，分布式鎖服務(wù)正常攒钳。此時(shí)鎖保護(hù)的資源（或部分）已無(wú)法對(duì)外提供服務(wù)帮孔，無(wú)法通知鎖自身運(yùn)行情況，為避免鎖服務(wù)一直無(wú)法釋放夕玩，可以為鎖設(shè)置超時(shí)時(shí)間你弦，當(dāng)鎖執(zhí)行時(shí)間超過(guò)了超時(shí)時(shí)間惊豺，鎖會(huì)過(guò)期，從而保證鎖與保護(hù)服務(wù)的最終一致性禽作。當(dāng)然鎖設(shè)置超時(shí)時(shí)間又會(huì)引出另一個(gè)問題：比如鎖的超時(shí)時(shí)間是500ms尸昧，而部分退款服務(wù)可能由于網(wǎng)絡(luò)等原因執(zhí)行時(shí)間為800ms（退款服務(wù)沒有宕機(jī)，僅僅是執(zhí)行時(shí)間相比平均執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)而已）旷偿，這種情況下烹俗，鎖已經(jīng)過(guò)期，而退款服務(wù)仍在執(zhí)行萍程，鎖作為保護(hù)資源的功能失效了幢妄。有一個(gè)辦法可以兼顧超時(shí)時(shí)間和鎖失效的問題，退款服務(wù)保持心跳通知鎖服務(wù)茫负，鎖服務(wù)收到心跳后延長(zhǎng)鎖的超時(shí)時(shí)間蕉鸳，不足在于即使退款服務(wù)已經(jīng)宕機(jī)，鎖服務(wù)仍然需要到達(dá)超時(shí)時(shí)間后才會(huì)解鎖忍法。Redisson分布式鎖就是采用這種方式潮尝。分布式鎖時(shí)效設(shè)置的必要性：確保在未來(lái)的一定時(shí)間內(nèi)，無(wú)論獲得鎖的節(jié)點(diǎn)發(fā)生了什么問題饿序，最終鎖都能被釋放掉勉失。

性能
針對(duì)訪問量大的共享資源，嘗試自旋方式獲取鎖時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間等待原探，即容易造成CPU空轉(zhuǎn)性能的消耗乱凿，又容易造成節(jié)點(diǎn)阻塞；而每隔一段時(shí)間嘗試獲取鎖咽弦，便無(wú)法保證資源的高效利用徒蟆。基于以上兩種解決方案的弊端型型，可以采用嘗試獲取鎖一定次數(shù)后后专，加入到等待隊(duì)列中，當(dāng)鎖釋放后输莺，通知等待隊(duì)列中的下一個(gè)等待節(jié)點(diǎn)獲取鎖。既可以避免CPU空轉(zhuǎn)帶來(lái)的性能消耗裸诽，又可以及時(shí)響應(yīng)嫂用，保證系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，避免毛刺的出現(xiàn)丈冬。設(shè)計(jì)上可以參考Java并發(fā)包中AQS嘱函。

鎖饑餓
一個(gè)線程在嘗試獲取鎖的過(guò)程中一直無(wú)法獲取鎖，這種情況就是鎖饑餓埂蕊，比如體弱的狼很難在一群強(qiáng)壯的狼群中搶到食物往弓，很多情況下鎖饑餓是由于優(yōu)先級(jí)較低造成的疏唾。發(fā)生鎖饑餓時(shí)，無(wú)法獲取鎖便無(wú)法進(jìn)行鎖保護(hù)資源的操作函似。為避免鎖饑餓情況的發(fā)生槐脏，設(shè)計(jì)時(shí)需要將鎖設(shè)計(jì)成公平鎖。

監(jiān)控
監(jiān)聽鎖的運(yùn)行情況撇寞，掌握鎖持有者的動(dòng)態(tài)顿天，若判斷鎖持有者處于不活動(dòng)狀態(tài)，要能夠強(qiáng)制釋放其持有的鎖蔑担，引入第三方監(jiān)控系統(tǒng)牌废。

當(dāng)然，分布式鎖還有一些其他的問題：比如頻繁獲取鎖釋放鎖帶來(lái)的系統(tǒng)穩(wěn)定和性能問題啤握，如何保證鎖的高可用鸟缕，分布式鎖的持久化，分布式鎖單點(diǎn)問題排抬，分布式鎖網(wǎng)絡(luò)傳輸性能等懂从，還有分布式鎖主節(jié)點(diǎn)宕機(jī)，從節(jié)點(diǎn)還沒同步到鎖畜埋，鎖的唯一性被破壞莫绣，多個(gè)客戶端可以獲得同一個(gè)鎖…

原文鏈接：http://geyifan.cn/2017/02/11/what-problems-when-using-distributed-locks/