關於分佈式鎖原理的一些學習與思考-redis分佈式鎖，zookeeper分佈式鎖

 

首先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那麼頗有可能形成服務器壓力過大，而癱瘓。

想一想雙十一 和 三十晚上十點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，那麼這些服務可能會有上百臺同時處理，

可是請咱們你們想想，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~~

 

1，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，有的人是否是等到12點了纔想起來~）

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。

第一個請求到來後，是否是須要在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，那是否是要在這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，那是否是就須要在剩下的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個用戶分了一個億，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：

 

2，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，要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，那麼這個時候，他就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，你要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：

 

 

 

3，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。

3.1，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，那麼他會在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，咱們就就須要給key 設置有效期了。

 設置的方式有2種

1，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。

2，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的基礎上有增長一些，可是這種影響其實仍是很小的，幾乎能夠忽略不計。

 

3.2，爲何zookeeper能夠實現分佈式鎖？

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，在跟目錄下建立一個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：

1，持久性節點

2，持久性順序節點

3，臨時性節點

4，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。

再說下順序性節點，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。

最後說下，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。

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，那麼他就會失敗，這個時候他就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。。。

這個時候呢，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。

 

 

下次我將繼續分享分佈式事務的一些學習與思考，歡迎關注！