分布式锁之 redis分布式锁和zookeeper分布式锁的实现原理 以及它们各自使用场景
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- 前言：在分布式系统的时代中，微服务、服务治理、中间件等名次已经贯穿了我们开发的各个过程，给开发者们提供了很多便捷的方式去更好的开发大型的web系统，这篇文章，主要给大家简单说一下分布式锁。
- 一、什么是分布式锁？
- 二、分布式锁给我们解决哪些问题？
- 三、分布式锁实现原理
- redis分布式锁 --- 基于jedis实现
- zookeeper分布式锁 --- 基于zkclient实现
- 它们的不同之处
前言
举个栗子：在我刚毕业那会2016年，我本人还沉浸在单体的SSM架构中，写个Schyoronized给某服务层某个业务共享实栗加把锁，这就ok了，确实，在我们常见的xxx管理系统中，没有那么大的数据量，也没必要去引入中间件去搞。但，时代不同了，无论从tob端或者toc端，目前大型的系统网站，在开发初期，在技术选型上，都在追求或者考虑未来的高并发、高可用的场景。往往单一的jvm实例子便可通过传统的加锁方式去实现，但若是一个服务部署在多台机器上呢，或者是多个服务都在修改应用层某个共享实例呢。此时，我们的分布式锁便派上用场了。
一、什么是分布式锁
分布式锁顾名思义，在分布式系统下，在高并发的场景下，我们为了协调资源不被随意修改而做的对系统共享资源的保护。
举个例子：用户下单后减库存，用户A请求应用服务器，对productA商品下单并去创建了新的订单，库存系统同步去减库存，若此时用户B也去请求该商品，并去下单，但用户B可能请求的不是一个服务器，因为在分布式环境下，一个服务可能部署在多台主机上，那么B此时拿到的库存数量可能还是之前的那个数量，这就可能导致超卖情况发生。
以上只是简单的一个说明，用户下单和减库存，还要考虑到的东西很多。
二、解决了哪些问题
协调各个服务节点去修改共享资源，保证数据正确性。
三、分布式锁实现原理
（1）redis分布式锁
原理：利用redis的setnx、expire、getset命令对应的提供的API函数接口实现；
获取redis锁步骤如下：
- a、线程A获取redis锁，通过setnx(key, 当前时间戳+key的失效时间)命令，若返回1，则redis缓存中不存在该key，则获得锁；
- b、若a中存在该key，则继续循环判断，重复的去获取该key对应value，通过get(key)获取；
- c、若b中获取到的value值 < 当前时间，则表明该key已经在缓存中失效了，线程A已经有了获取redis锁的权利了；
- d、此时线程A通过getset命令，将当前时间戳设置到该key对应的缓存上，并返回旧的值；
- e、若返回的旧值 == 在b中获取的值，则此时线程A成功获取到锁；
- f、若不相等，则表明有其他线程在线程A之前已经获取到该锁，则线程A又要循环往复的在去判断；
总而言之，自我感觉有点像自旋锁的意思，通过CAS不断去比较当前修改的旧值和期待的值是否一致；
以下是redis锁的实现原理，包含了释放锁的过程；
public class RedisKeyLock {
private static Logger logger = Logger.getLogger(RedisKeyLock.class);
private final static long ACCQUIRE_LOCK_TIMEOUT_IN_MS = 10 * 1000;
private final static int EXPIRE_IN_SECOND = 5;//锁失效时间
private final static long WAIT_INTERVAL_IN_MS = 100;
private static RedisKeyLock lock;
private JedisPool jedisPool;
private RedisKeyLock(JedisPool pool){
this.jedisPool = pool;
}
public static RedisKeyLock getInstance(JedisPool pool){
if(lock == null){
lock = new RedisKeyLock(pool);
}
return lock;
}
public void lock(final String redisKey) {
Jedis resource = null;
try {
long now = System.currentTimeMillis();
resource = jedisPool.getResource();
long timeoutAt = now + ACCQUIRE_LOCK_TIMEOUT_IN_MS;
boolean flag = false;
while (true) {
String expireAt = String.valueOf(now + EXPIRE_IN_SECOND * 1000);
long ret = resource.setnx(redisKey, expireAt);
if (ret == 1) {//已获取锁
flag = true;
break;
} else {//未获取锁，重试获取锁
String oldExpireAt = resource.get(redisKey);
if (oldExpireAt != null && Long.parseLong(oldExpireAt) < now) {
oldExpireAt = resource.getSet(redisKey, expireAt);
if (Long.parseLong(oldExpireAt) < now) {
flag = true;
break;
}
}
}
if (timeoutAt < now) {
break;
}
TimeUnit.NANOSECONDS.sleep(WAIT_INTERVAL_IN_MS);
}
if (!flag) {
throw new RuntimeException("canot acquire lock now ...");
}
} catch (JedisException je) {
logger.error("lock", je);
je.printStackTrace();
if (resource != null) {
jedisPool.returnBrokenResource(resource);
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
logger.error("lock", e);
} finally {
if (resource != null) {
jedisPool.returnResource(resource);
}
}
}
public boolean unlock(final String redisKey) {
Jedis resource = null;
try {
resource = jedisPool.getResource();
resource.del(redisKey);
return true;
} catch (JedisException je) {
je.printStackTrace();
if (resource != null) {
jedisPool.returnBrokenResource(resource);
}
return false;
} catch (Exception e) {
logger.error("lock", e);
return false;
} finally {
if (resource != null) {
jedisPool.returnResource(resource);
}
}
}
}
（2）zookeeper分布式锁
原理：利用zookeeper系统结构，即类似linux的树形文件目录结构，根节点下有很多子节点，服务在访问zk时，通过创建临时顺序节点方式，并去比较当前节点的序号是否为其中最小，若为最小，则获得锁，并通知后续节点，删除自身节点；否则，进入等待状态；
以下是获取和释放的代码
public class ZooKeeperDistributedLock implements Watcher{
private ZooKeeper zk;
private String locksRoot= "/locks";
private String productId;
private String waitNode;
private String lockNode;
private CountDownLatch latch;
private CountDownLatch connectedLatch = new CountDownLatch(1);
private int sessionTimeout = 30000;
public ZooKeeperDistributedLock(String productId){
this.productId = productId;
try {
String address = "192.168.31.187:2181,192.168.31.19:2181,192.168.31.227:2181";
zk = new ZooKeeper(address, sessionTimeout, this);
connectedLatch.await();
} catch (IOException e) {
throw new LockException(e);
} catch (KeeperException e) {
throw new LockException(e);
} catch (InterruptedException e) {
throw new LockException(e);
}
}
public void process(WatchedEvent event) {
if(event.getState()==KeeperState.SyncConnected){
connectedLatch.countDown();
return;
}
if(this.latch != null) {
this.latch.countDown();
}
}
public void acquireDistributedLock() {
try {
if(this.tryLock()){
return;
}
else{
waitForLock(waitNode, sessionTimeout);
}
} catch (KeeperException e) {
throw new LockException(e);
} catch (InterruptedException e) {
throw new LockException(e);
}
}
public boolean tryLock() {
try {
// 传入进去的locksRoot + “/” + productId
// 假设productId代表了一个商品id，比如说1
// locksRoot = locks
// /locks/10000000000，/locks/10000000001，/locks/10000000002
lockNode = zk.create(locksRoot + "/" + productId, new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
// 看看刚创建的节点是不是最小的节点
// locks：10000000000，10000000001，10000000002
List<String> locks = zk.getChildren(locksRoot, false);
Collections.sort(locks);
if(lockNode.equals(locksRoot+"/"+ locks.get(0))){
//如果是最小的节点,则表示取得锁
return true;
}
//如果不是最小的节点，找到比自己小1的节点
int previousLockIndex = -1;
for(int i = 0; i < locks.size(); i++) {
if(lockNode.equals(locksRoot + “/” + locks.get(i))) {
previousLockIndex = i - 1;
break;
}
}
this.waitNode = locks.get(previousLockIndex);
} catch (KeeperException e) {
throw new LockException(e);
} catch (InterruptedException e) {
throw new LockException(e);
}
return false;
}
private boolean waitForLock(String waitNode, long waitTime) throws InterruptedException, KeeperException {
Stat stat = zk.exists(locksRoot + "/" + waitNode, true);
if(stat != null){
this.latch = new CountDownLatch(1);
this.latch.await(waitTime, TimeUnit.MILLISECONDS); this.latch = null;
}
return true;
}
public void unlock() {
try {
// 删除/locks/10000000000节点
// 删除/locks/10000000001节点
System.out.println("unlock " + lockNode);
zk.delete(lockNode,-1);
lockNode = null;
zk.close();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (KeeperException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public class LockException extends RuntimeException {
private static final long serialVersionUID = 1L;
public LockException(String e){
super(e);
}
public LockException(Exception e){
super(e);
}
}
// 如果有一把锁，被多个人给竞争，此时多个人会排队，第一个拿到锁的人会执行，然后释放锁，后面的每个人都会去监听排在自己前面的那个人创建的node上，一旦某个人释放了锁，排在自己后面的人就会被zookeeper给通知，一旦被通知了之后，就ok了，自己就获取到了锁，就可以执行代码了
}
（3）不同之处：redis分布式锁需要不断重试去获取，比较消耗性能，zk锁不需要，只需要注册一个监听器，等待前节点的通知；
同时，redis服务若是挂掉了，锁只能等待超时时间后才可再被其他线程获得；而zk服务若是挂掉了，则会自动删除临时节点并释放锁，总体开销较小；
注：第一次写博客，有哪些错误之处，还请指正并谅解。
