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分布式锁 1. 什么是分布式锁 分布式锁是控制分布式系统之间同步访问共享资源的一种方式。在分布式系统中#xff0c;常常需要协调他们的动作。如果不同的系统或是同一个系统的不同主机之间共享了一个或一组资源#xff0c;那么访问这些资源的时候故事凌
分布式锁 1. 什么是分布式锁 分布式锁是控制分布式系统之间同步访问共享资源的一种方式。在分布式系统中常常需要协调他们的动作。如果不同的系统或是同一个系统的不同主机之间共享了一个或一组资源那么访问这些资源的时候往往需要互斥来防止彼此干扰来保证一致性在这种情况下便需要使用到分布式锁。 2. 为什么要使用分布式锁 为了保证一个方法或属性在高并发情况下的同一时间只能被同一个线程执行在传统单体应用单机部署的情况下可以使用Java并发处理相关的API(如ReentrantLock或Synchronized)进行互斥控制。在单机环境中Java中提供了很多并发处理相关的API。但是随着业务发展的需要原单体单机部署的系统被演化成分布式集群系统后由于分布式系统多线程、多进程并且分布在不同机器上这将使原单机部署情况下的并发控制锁策略失效单纯的Java API并不能提供分布式锁的能力。为了解决这个问题就需要一种跨JVM的互斥机制来控制共享资源的访问这就是分布式锁要解决的问题
举个例子:
机器A , 机器B是一个集群, A, B两台机器上的程序都是一样的, 具备高可用性能.
A, B机器都有一个定时任务, 每天晚上凌晨2点需要执行一个定时任务, 但是这个定时任务只能执行一遍, 否则的话就会报错, 那A,B两台机器在执行的时候, 就需要抢锁, 谁抢到锁, 谁执行, 谁抢不到, 就不用执行了! 3. 锁的处理 单个应用中使用锁: (单进程多线程)
synchronize
分布式锁控制分布式系统之间同步访问资源的一种方式分布式锁是控制分布式系统之间同步同问共享资源的一种方式 4. 分布式锁的实现 基于数据的乐观锁实现分布式锁基于zookeeper临时节点的分布式锁基于redis的分布式锁5. redis的分布式锁 获取锁:
在set命令中, 有很多选项可以用来修改命令的行为, 一下是set命令可用选项的基本语法
redis 127.0.0.1:6379SET KEY VALUE [EX seconds] [PX milliseconds] [NX|XX]
redis 127.0.0.1:6379SET KEY VALUE [EX seconds] [PX milliseconds] [NX|XX]- EX seconds 设置指定的到期时间(单位为秒)- PX milliseconds 设置指定的到期时间(单位毫秒)- NX: 仅在键不存在时设置键- XX: 只有在键已存在时设置方式1: 推介 private static final String LOCK_SUCCESS OK;private static final String SET_IF_NOT_EXIST NX;private static final String SET_WITH_EXPIRE_TIME PX;public static boolean getLock(JedisCluster jedisCluster, String lockKey, String requestId, int expireTime) {// NX: 保证互斥性String result jedisCluster.set(lockKey, requestId, SET_IF_NOT_EXIST, SET_WITH_EXPIRE_TIME, expireTime);if (LOCK_SUCCESS.equals(result)) {return true;}return false;}方式2:
public static boolean getLock(String lockKey,String requestId,int expireTime) {Long result jedis.setnx(lockKey, requestId);if(result 1) {jedis.expire(lockKey, expireTime);return true;}return false;}注意: 推介方式1, 因为方式2中setnx和expire是两个操作, 并不是一个原子操作, 如果setnx出现问题, 就是出现死锁的情况, 所以推荐方式1
释放锁:
方式1: del命令实现
public static void releaseLock(String lockKey,String requestId) {if (requestId.equals(jedis.get(lockKey))) {jedis.del(lockKey);}
}
方式2: redislua脚本实现 推荐
public static boolean releaseLock(String lockKey, String requestId) {String script if redis.call(get, KEYS[1]) ARGV[1] then return
redis.call(del, KEYS[1]) else return 0 end;Object result jedis.eval(script, Collections.singletonList(lockKey),
Collections.singletonList(requestId));if (result.equals(1L)) {return true;
}return false;}6. zookeeper的分布式锁 6.1 zookeeper实现分布式锁的原理
理解了锁的原理后就会发现Zookeeper 天生就是一副分布式锁的胚子。
首先Zookeeper的每一个节点都是一个天然的顺序发号器。
在每一个节点下面创建子节点时只要选择的创建类型是有序EPHEMERAL_SEQUENTIAL 临时有序或者PERSISTENT_SEQUENTIAL 永久有序类型那么新的子节点后面会加上一个次序编号。这个次序编号是上一个生成的次序编号加一
比如创建一个用于发号的节点“/test/lock”然后以他为父亲节点可以在这个父节点下面创建相同前缀的子节点假定相同的前缀为“/test/lock/seq-”在创建子节点时同时指明是有序类型。如果是第一个创建的子节点那么生成的子节点为/test/lock/seq-0000000000下一个节点则为/test/lock/seq-0000000001依次类推等等。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传 其次Zookeeper节点的递增性可以规定节点编号最小的那个获得锁。
一个zookeeper分布式锁首先需要创建一个父节点尽量是持久节点PERSISTENT类型然后每个要获得锁的线程都会在这个节点下创建个临时顺序节点由于序号的递增性可以规定排号最小的那个获得锁。所以每个线程在尝试占用锁之前首先判断自己是排号是不是当前最小如果是则获取锁。
第三Zookeeper的节点监听机制可以保障占有锁的方式有序而且高效。
每个线程抢占锁之前先抢号创建自己的ZNode。同样释放锁的时候就需要删除抢号的Znode。抢号成功后如果不是排号最小的节点就处于等待通知的状态。等谁的通知呢不需要其他人只需要等前一个Znode 的通知就可以了。当前一个Znode 删除的时候就是轮到了自己占有锁的时候。第一个通知第二个、第二个通知第三个击鼓传花似的依次向后。
Zookeeper的节点监听机制可以说能够非常完美的实现这种击鼓传花似的信息传递。具体的方法是每一个等通知的Znode节点只需要监听linsten或者 watch 监视排号在自己前面那个而且紧挨在自己前面的那个节点。 只要上一个节点被删除了就进行再一次判断看看自己是不是序号最小的那个节点如果是则获得锁。
为什么说Zookeeper的节点监听机制可以说是非常完美呢
一条龙式的首尾相接后面监视前面就不怕中间截断吗比如在分布式环境下由于网络的原因或者服务器挂了或则其他的原因如果前面的那个节点没能被程序删除成功后面的节点不就永远等待么
其实Zookeeper的内部机制能保证后面的节点能够正常的监听到删除和获得锁。在创建取号节点的时候尽量创建临时znode 节点而不是永久znode 节点一旦这个 znode 的客户端与Zookeeper集群服务器失去联系这个临时 znode 也将自动删除。排在它后面的那个节点也能收到删除事件从而获得锁。
说Zookeeper的节点监听机制是非常完美的。还有一个原因。
Zookeeper这种首尾相接后面监听前面的方式可以避免羊群效应。所谓羊群效应就是每个节点挂掉所有节点都去监听然后做出反映这样会给服务器带来巨大压力所以有了临时顺序节点当一个节点挂掉只有它后面的那一个节点才做出反映。
###6.2 zookeeper实现分布式锁的示例
zookeeper是通过临时节点来实现分布式锁.
import org.apache.curator.RetryPolicy;
import org.apache.curator.framework.CuratorFramework;
import org.apache.curator.framework.CuratorFrameworkFactory;
import org.apache.curator.framework.recipes.locks.InterProcessMutex;
import org.apache.curator.retry.ExponentialBackoffRetry;
import org.junit.Before;
import org.junit.Test;/*** ClassName ZookeeperLock* Description TODO* Author lingxiangxiang* Date 2:57 PM* Version 1.0**/
public class ZookeeperLock {// 定义共享资源private static int NUMBER 10;private static void printNumber() {// 业务逻辑: 秒杀System.out.println(*********业务方法开始************\n);System.out.println(当前的值: NUMBER);NUMBER--;try {Thread.sleep(2000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(*********业务方法结束************\n);}// 这里使用Test会报错public static void main(String[] args) {// 定义重试的侧策略 1000 等待的时间(毫秒) 10 重试的次数RetryPolicy policy new ExponentialBackoffRetry(1000, 10);// 定义zookeeper的客户端CuratorFramework client CuratorFrameworkFactory.builder().connectString(10.231.128.95:2181,10.231.128.96:2181,10.231.128.97:2181).retryPolicy(policy).build();// 启动客户端client.start();// 在zookeeper中定义一把锁final InterProcessMutex lock new InterProcessMutex(client, /mylock);//启动是个线程for (int i 0; i 10; i) {new Thread(new Runnable() {Overridepublic void run() {try {// 请求得到的锁lock.acquire();printNumber();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {// 释放锁, 还锁try {lock.release();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}}).start();}}
} 7. 基于数据的分布式锁 我们在讨论使用分布式锁的时候往往首先排除掉基于数据库的方案本能的会觉得这个方案不够“高级”。从性能的角度考虑基于数据库的方案性能确实不够优异整体性能对比缓存 Zookeeper、etcd 数据库。也有人提出基于数据库的方案问题很多不太可靠。数据库的方案可能并不适合于频繁写入的操作.
下面我们来了解一下基于数据库MySQL的方案一般分为3类基于表记录、乐观锁和悲观锁。
7.1 基于表记录
要实现分布式锁最简单的方式可能就是直接创建一张锁表然后通过操作该表中的数据来实现了。当我们想要获得锁的时候就可以在该表中增加一条记录想要释放锁的时候就删除这条记录。
为了更好的演示我们先创建一张数据库表参考如下
CREATE TABLE database_lock (id BIGINT NOT NULL AUTO_INCREMENT,resource int NOT NULL COMMENT 锁定的资源,description varchar(1024) NOT NULL DEFAULT COMMENT 描述,PRIMARY KEY (id),UNIQUE KEY uiq_idx_resource (resource)
) ENGINEInnoDB DEFAULT CHARSETutf8mb4 COMMENT数据库分布式锁表;获得锁
我们可以插入一条数据
INSERT INTO database_lock(resource, description) VALUES (1, lock);因为表database_lock中resource是唯一索引, 所以其他请求提交到数据库, 就会报错, 并不会插入成功, 只有一个可以插入. 插入成功, 我们就获取到锁
删除锁
INSERT INTO database_lock(resource, description) VALUES (1, lock);
这种实现方式非常的简单但是需要注意以下几点
这种锁没有失效时间一旦释放锁的操作失败就会导致锁记录一直在数据库中其它线程无法获得锁。这个缺陷也很好解决比如可以做一个定时任务去定时清理。这种锁的可靠性依赖于数据库。建议设置备库避免单点进一步提高可靠性。这种锁是非阻塞的因为插入数据失败之后会直接报错想要获得锁就需要再次操作。如果需要阻塞式的可以弄个for循环、while循环之类的直至INSERT成功再返回。这种锁也是非可重入的因为同一个线程在没有释放锁之前无法再次获得锁因为数据库中已经存在同一份记录了。想要实现可重入锁可以在数据库中添加一些字段比如获得锁的主机信息、线程信息等那么在再次获得锁的时候可以先查询数据如果当前的主机信息和线程信息等能被查到的话可以直接把锁分配给它。7.2 乐观锁 顾名思义系统认为数据的更新在大多数情况下是不会产生冲突的只在数据库更新操作提交的时候才对数据作冲突检测。如果检测的结果出现了与预期数据不一致的情况则返回失败信息。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传
乐观锁大多数是基于数据版本(version)的记录机制实现的。何谓数据版本号即为数据增加一个版本标识在基于数据库表的版本解决方案中一般是通过为数据库表添加一个 “version”字段来实现读取出数据时将此版本号一同读出之后更新时对此版本号加1。在更新过程中会对版本号进行比较如果是一致的没有发生改变则会成功执行本次操作如果版本号不一致则会更新失败。
为了更好的理解数据库乐观锁在实际项目中的使用这里也就举了业界老生常谈的库存例子。一个电商平台都会存在商品的库存当用户进行购买的时候就会对库存进行操作库存减1代表已经卖出了一件。如果只是一个用户进行操作数据库本身就能保证用户操作的正确性而在并发的情况下就会产生一些意想不到的问题
比如两个用户同时购买一件商品在数据库层面实际操作应该是库存进行减2操作但是由于高并发的情况第一个用户购买完成进行数据读取当前库存并进行减1操作由于这个操作没有完全执行完成。第二个用户就进入购买相同商品此时查询出的库存可能是未减1操作的库存导致了脏数据的出现【线程不安全操作】通常如果是单JVM情况下使用JAVA内置的锁就能保证线程安全如果在多JVM的情况下使用分布式锁也能实现【后期会补】而本篇着重的去讲数据库层面的。
针对上面的问题数据库乐观锁也能保证线程安全通常哎代码层面我们都会这样做
select goods_num from goods where goods_name 小本子;
update goods set goods_num goods_num -1 where goods_name 小本子;上面的SQL是一组的通常先查询出当前的goods_num然后再goods_num上进行减1的操作修改库存当并发的情况下这条语句可能导致原本库存为3的一个商品经过两个人购买还剩下2库存的情况就会导致商品的多卖。那么数据库乐观锁是如何实现的呢 首先定义一个version字段用来当作一个版本号每次的操作就会变成这样
select goods_num,version from goods where goods_name 小本子;
update goods set goods_num goods_num -1,version 查询的version值自增 where goods_name 小本子 and version查询出来的version其实借助更新时间戳updated_at也可以实现乐观锁和采用version字段的方式相似更新操作执行前线获取记录当前的更新时间在提交更新时检测当前更新时间是否与更新开始时获取的更新时间戳相等。 7.3 悲观锁 除了可以通过增删操作数据库表中的记录以外我们还可以借助数据库中自带的锁来实现分布式锁。在查询语句后面增加FOR UPDATE数据库会在查询过程中给数据库表增加悲观锁也称排他锁。当某条记录被加上悲观锁之后其它线程也就无法再改行上增加悲观锁。
悲观锁与乐观锁相反总是假设最坏的情况它认为数据的更新在大多数情况下是会产生冲突的。
在使用悲观锁的同时我们需要注意一下锁的级别。MySQL InnoDB引起在加锁的时候只有明确地指定主键(或索引)的才会执行行锁 (只锁住被选取的数据)否则MySQL 将会执行表锁(将整个数据表单给锁住)。
在使用悲观锁时我们必须关闭MySQL数据库的自动提交属性参考下面的示例因为MySQL默认使用autocommit模式也就是说当你执行一个更新操作后MySQL会立刻将结果进行提交。
mysql SET AUTOCOMMIT 0;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)这样在使用FOR UPDATE获得锁之后可以执行相应的业务逻辑执行完之后再使用COMMIT来释放锁。
我们不妨沿用前面的database_lock表来具体表述一下用法。假设有一线程A需要获得锁并执行相应的操作那么它的具体步骤如下
STEP1 - 获取锁SELECT * FROM database_lock WHERE id 1 FOR UPDATE;。 STEP2 - 执行业务逻辑。 STEP3 - 释放锁COMMIT。
