看一眼就能懂的「分佈式鎖」原理

做者：賈俊江

原文：https://mp.weixin.qq.com/s/gQfkOkR80MdtoTBP8hep6w

分佈式鎖和咱們日常講到的鎖原理基本同樣，目的就是確保在多個線程併發時，只有一個線程在同一刻操做這個業務或者說方法、變量。

在一個進程中，也就是一個 JVM 或者說應用中，咱們很容易去處理控制，在 jdk java.util 併發包中已經爲咱們提供了這些方法去加鎖，好比 Synchronized 關鍵字或者 Lock 鎖，均可以處理。

可是咱們如今的應用程序若是隻部署一臺服務器，那併發量是不好的，若是同時有上萬的請求，頗有可能形成服務器壓力過大而癱瘓。

想一想雙十一和大年三十晚上十點，瓜分支付寶紅包等業務場景，天然須要用到多臺服務器去同時處理這些業務，這些服務可能會有上百臺同時處理。

可是咱們想想，若是有 100 臺服務器要處理分成包的業務，如今假設有 1 億的紅包，1 千萬我的分，金額隨機，那麼這個業務場景下，是否是必須確保這 1 千萬我的最後分的紅包金額總和等於 1 億?

若是處理很差~~每人分到 100 萬，那馬雲爸爸估計大年初一，就得宣佈破產了~~

常規鎖會形成什麼狀況?

首先說一下咱們爲何要搞集羣。簡單理解就是，需求量(請求併發量)變大了，一個工人處理能力有限，那就多招一些工人來一塊兒處理。

假設 1 千萬個請求平均分配到 100 臺服務器上，每一個服務器接收 10w 的請求。

這 10w 個請求並非在同一秒中來的，多是在 1-2 個小時內，能夠聯想下咱們三十晚上開紅包，等到 10：20 開始，有的人立馬開了，有的人等到 12 點纔想起來。

那這樣的話，平均到每一秒上的請求也就不到 1 千個，這種壓力通常的服務器仍是能夠承受的：

• 第一個用戶來分，請求到來後，須要在 1 億裏面給他分一部分錢，金額隨機，假設第一我的分到了 100，那就要在這 1 億中減去 100 塊，剩下 99999900 塊。
• 第二個用戶再來分，金額隨機，此次分 200 塊，那就須要在剩下的 99999900 塊中再減去 200 塊，剩下 99999700 塊。
• 等到第 10w 個用戶來，一看還有 1000w，那這 1000w 全成他的了。

等因而在每一個服務器中去分 1 億，也就是 10w 個用戶分了 1 億，最後總計有 100 個服務器，要分 100 億。

若是真這樣了，雖然說馬雲爸爸不會破產(據最新統計馬雲有 2300 億人民幣)，那分成包的開發項目組，以及產品經理，能夠 GG了~

簡化結構圖以下：

分佈式鎖怎麼去處理?

那麼爲了解決這個問題，讓 1000 萬用戶只分 1 億，而不是 100 億，這個時候分佈式鎖就派上用處了。

分佈式鎖能夠把整個集羣就看成是一個應用同樣去處理，那麼也就須要這個鎖獨立於每個服務以外，而不是在服務裏面。

假設第一個服務器接收到用戶 1 的請求後，不能只在本身的應用中去判斷還有多少錢能夠分了，而須要去外部請求專門負責管理這 1 億紅包的人(服務)，問他：哎，我這裏要分 100 塊，給我 100。

管理紅包的妹子(服務)一看，還有 1 個億，那好，給你 100 塊，而後剩下 99999900 塊。

第二個請求到來後，被服務器 2 獲取，繼續去詢問，管理紅包的妹子，我這邊要分 10 塊，管理紅包的妹子先查了下還有 99999900，那就說：好，給你 10 塊，那就剩下 99999890 塊。

等到第 1000w 個請求到來後，服務器 100 拿到請求，繼續去詢問，管理紅包的妹子，我要 100，妹子翻了翻白眼，對你說，就剩 1 塊了，愛要不要，那這個時候就只能給你 1 塊了(1 塊也是錢啊，買根辣條仍是能夠的)。

這些請求編號 1，2 不表明執行的前後順序，正式的場景下，應該是 100 臺服務器每一個服務器持有一個請求去訪問負責管理紅包的妹子(服務)。

那在管紅包的妹子那裏同時會接收到 100 個請求，這個時候就須要在負責紅包的妹子那裏加個鎖就能夠了(拋繡球)，大家 100 個服務器誰拿到鎖(搶到繡球)，誰就進來和我談，我給你分，其餘人就等着去吧。

通過上面的分佈式鎖的處理後，馬雲爸爸終於放心了，決定給紅包團隊每人加一個雞腿。

簡化的結構圖以下：

順便在此給你們推薦一個Java架構方面的交流學習羣：468897908，裏面有：Spring，MyBatis，Netty源碼分析，高併發、高性能、分佈式、微服務架構的原理，JVM性能優化這些成爲架構師必備的知識體系，進羣免費領取學習資源！

分佈式鎖的實現有哪些?

說到分佈式鎖的實現，仍是有不少的，有數據庫方式的，有 Redis 分佈式鎖，有 Zookeeper 分佈式鎖等等。

咱們若是採用 Redis 做爲分佈式鎖，那麼上圖中負責「紅包的妹子(服務)」，就能夠替換成 Redis，請自行腦補。

①爲何 Redis 能夠實現分佈式鎖?

首先 Redis 是單線程的，這裏的單線程指的是網絡請求模塊使用了一個線程(因此不需考慮併發安全性)，即一個線程處理全部網絡請求，其餘模塊仍用了多個線程。

在實際的操做中過程大體是這樣子的：服務器 1 要去訪問發紅包的妹子，也就是 Redis，那麼它會在 Redis 中經過"setnx key value" 操做設置一個 Key 進去，Value 是啥不重要，重要的是要有一個 Key，也就是一個標記。

並且這個 Key 你愛叫啥叫啥，只要全部的服務器設置的 Key 相同就能夠。

假設咱們設置一個，以下圖：

那麼咱們能夠看到會返回一個 1，那就表明了成功。

若是再來一個請求去設置一樣的 Key，以下圖：

這個時候會返回 0，那就表明失敗了。

那麼咱們就能夠經過這個操做去判斷是否是當前能夠拿到鎖，或者說能夠去訪問「負責發紅包的妹子」，若是返回 1，那我就開始去執行後面的邏輯，若是返回 0，那就說明已經被人佔用了，我就要繼續等待。

當服務器 1 拿到鎖以後，進行了業務處理，完成後，還須要釋放鎖，以下圖所示：

刪除成功返回 1，那麼其餘的服務器就能夠繼續重複上面的步驟去設置這個 Key，以達到獲取鎖的目的。

固然以上的操做是在 Redis 客戶端直接進行的，經過程序調用的話，確定就不能這麼寫，好比 Java 就須要經過 Jedis 去調用，可是整個處理邏輯基本都是同樣的。

經過上面的方式，咱們好像是解決了分佈式鎖的問題，可是想一想還有沒有什麼問題呢?

對，問題仍是有的，可能會有死鎖的問題發生，好比服務器 1 設置完以後，獲取了鎖以後，突然發生了宕機。

那後續的刪除 Key 操做就無法執行，這個 Key 會一直在 Redis 中存在，其餘服務器每次去檢查，都會返回 0，他們都會認爲有人在使用鎖，我須要等。

爲了解決這個死鎖的問題，咱們就須要給 Key 設置有效期了。設置的方式有 2 種：

第一種就是在 Set 完 Key 以後，直接設置 Key 的有效期 "expire key timeout" ，爲 Key 設置一個超時時間，單位爲 Second，超過這個時間鎖會自動釋放，避免死鎖。

這種方式至關於，把鎖持有的有效期，交給了 Redis 去控制。若是時間到了，你尚未給我刪除 Key，那 Redis 就直接給你刪了，其餘服務器就能夠繼續去 Setnx 獲取鎖。

第二種方式，就是把刪除 Key 權利交給其餘的服務器，那這個時候就須要用到 Value 值了，好比服務器 1，設置了 Value 也就是 Timeout 爲當前時間 +1 秒 。

這個時候服務器 2 經過 Get 發現時間已經超過系統當前時間了，那就說明服務器 1 沒有釋放鎖，服務器 1 可能出問題了，服務器 2 就開始執行刪除 Key 操做，而且繼續執行 Setnx 操做。

可是這塊有一個問題，也就是不光你服務器 2 可能會發現服務器 1 超時了，服務器 3 也可能會發現，若是恰好服務器 2 Setnx 操做完成，服務器 3 就接着刪除，是否是服務器 3 也能夠 Setnx 成功了?

那就等因而服務器 2 和服務器 3 都拿到鎖了，那就問題大了。這個時候怎麼辦呢?

這個時候須要用到「GETSET key value」命令了。這個命令的意思就是獲取當前 Key 的值，而且設置新的值。

假設服務器 2 發現 Key 過時了，開始調用 getset 命令，而後用獲取的時間判斷是否過時，若是獲取的時間仍然是過時的，那就說明拿到鎖了。

若是沒有，則說明在服務 2 執行 getset 以前，服務器 3 可能也發現鎖過時了，而且在服務器 2 以前執行了 getset 操做，從新設置了過時時間。

那麼服務器 2 就須要放棄後續的操做，繼續等待服務器 3 釋放鎖或者去監測 Key 的有效期是否過時。

這塊其實有一個小問題是，服務器 3 已經修改了有效期，拿到鎖以後，服務器 2 也修改了有效期，可是沒能拿到鎖。

可是這個有效期的時間已經被在服務器 3 的基礎上又增長一些，可是這種影響其實仍是很小的，幾乎能夠忽略不計。

②爲何 Zookeeper 可實現分佈式鎖?

百度百科是這麼介紹的：ZooKeeper 是一個分佈式的，開放源碼的分佈式應用程序協調服務，是 Google 的 Chubby 一個開源的實現，是 Hadoop 和 Hbase 的重要組件。

那對於咱們初次認識的人，能夠理解成 ZooKeeper 就像是咱們的電腦文件系統，咱們能夠在 d 盤中建立文件夾 a，而且能夠繼續在文件夾 a 中建立文件夾 a1，a2。

那咱們的文件系統有什麼特色?那就是同一個目錄下文件名稱不能重複，一樣 ZooKeeper 也是這樣的。

在 ZooKeeper 全部的節點，也就是文件夾稱做 Znode，並且這個 Znode 節點是能夠存儲數據的。

咱們能夠經過「 create /zkjjj nice」來建立一個節點，這個命令就表示，在根目錄下建立一個 zkjjj 的節點，值是 nice。

一樣這裏的值，和我在前面說的 Redis 中的同樣，沒什麼意義，你隨便給。

另外 ZooKeeper 能夠建立 4 種類型的節點，分別是：

• 持久性節點
• 持久性順序節點
• 臨時性節點
• 臨時性順序節點

首先說下持久性節點和臨時性節點的區別：

• 持久性節點表示只要你建立了這個節點，那無論你 ZooKeeper 的客戶端是否斷開鏈接，ZooKeeper 的服務端都會記錄這個節點。
• 臨時性節點恰好相反，一旦你 ZooKeeper 客戶端斷開了鏈接，那 ZooKeeper 服務端就再也不保存這個節點。
• 順便也說下順序性節點，順序性節點是指，在建立節點的時候，ZooKeeper 會自動給節點編號好比 0000001，0000002 這種的。

Zookeeper 有一個監聽機制，客戶端註冊監聽它關心的目錄節點，當目錄節點發生變化(數據改變、被刪除、子目錄節點增長刪除)等，Zookeeper 會通知客戶端。

在 Zookeeper 中如何加鎖?

下面咱們繼續結合咱們上面的分成包場景，描述下在 Zookeeper 中如何加鎖。

假設服務器 1，建立了一個節點 /zkjjj，成功了，那服務器 1 就獲取了鎖，服務器 2 再去建立相同的鎖，就會失敗，這個時候就只能監聽這個節點的變化。

等到服務器 1 處理完業務，刪除了節點後，他就會獲得通知，而後去建立一樣的節點，獲取鎖處理業務，再刪除節點，後續的 100 臺服務器與之相似。

注意這裏的 100 臺服務器並非挨個去執行上面的建立節點的操做，而是併發的，當服務器 1 建立成功，那麼剩下的 99 個就都會註冊監聽這個節點，等通知，以此類推。

可是你們有沒有注意到，這裏仍是有問題的，仍是會有死鎖的狀況存在，對不對?

當服務器 1 建立了節點後掛了，沒能刪除，那其餘 99 臺服務器就會一直等通知，那就完蛋了。

這個時候就須要用到臨時性節點了，咱們前面說過了，臨時性節點的特色是客戶端一旦斷開，就會丟失。

也就是當服務器 1 建立了節點後，若是掛了，那這個節點會自動被刪除，這樣後續的其餘服務器，就能夠繼續去建立節點，獲取鎖了。

可是咱們可能還須要注意到一點，就是驚羣效應：舉一個很簡單的例子，當你往一羣鴿子中間扔一塊食物，雖然最終只有一個鴿子搶到食物，但全部鴿子都會被驚動來爭奪，沒有搶到…

就是當服務器 1 節點有變化，會通知其他的 99 個服務器，可是最終只有 1 個服務器會建立成功，這樣 98 仍是須要等待監聽，那麼爲了處理這種狀況，就須要用到臨時順序性節點。

大體意思就是，以前是全部 99 個服務器都監聽一個節點，如今就是每個服務器監聽本身前面的一個節點。

假設 100 個服務器同時發來請求，這個時候會在 /zkjjj 節點下建立 100 個臨時順序性節點 /zkjjj/000000001，/zkjjj/000000002，一直到 /zkjjj/000000100，這個編號就等因而已經給他們設置了獲取鎖的前後順序了。

當 001 節點處理完畢，刪除節點後，002 收到通知，去獲取鎖，開始執行，執行完畢，刪除節點，通知 003~以此類推。