整理 分佈式鎖

鎖:Java中的鎖可以簡單的理解爲多線程情況下訪問臨界資源的一種線程同步機制

公平鎖、非公平鎖、自旋鎖、可重入鎖、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖、讀寫鎖、互斥鎖

 

一、爲什麼要使用分佈式鎖?

(單機)在開發過程中,如果需要對某一個共享變量進行多線程同步訪問的時候,使用多線程的相關技術可以完美解決。

單機模式----所有的請求都會分配到當前服務器的JVM內部,然後映射爲操作系統的線程進行處理!而這個共享變量只是在這個JVM內部的一塊內存空間!

集羣模式---隨着業務發展,需要用到集羣模式,一個應用部署到多臺服務器,然後做負載均衡,如下圖:

 

變量A在JVM1、JVM2、JVM3三個內存中,如果不加任何控制的話 ,變量A在JVM中會同時分配到一塊內存,三個請求同時發起對這個變量進行操作,顯然結果是不對的,即便是非同步請求,變量A之間不存在共享,也不存在可見性,處理結果也是不對的。

如果我們業務中確實存在這個場景的話,我們就需要一種方法解決這個問題!

爲了保證一個方法或屬性在高併發情況下的同一時間只能被同一個線程執行,在傳統單體應用單機部署的情況下,可以使用Java併發處理相關的API(如ReentrantLock或Synchronized)進行互斥控制。在單機環境中,Java中提供了很多併發處理相關的API。但是,隨着業務發展的需要,原單體單機部署的系統被演化成分佈式集羣系統後,由於分佈式系統多線程、多進程並且分佈在不同機器上,這將使原單機部署情況下的併發控制鎖策略失效,單純的Java API並不能提供分佈式鎖的能力。爲了解決這個問題就需要一種跨JVM的互斥機制來控制共享資源的訪問,這就是分佈式鎖要解決的問題!

二、分佈式鎖具備哪些條件:

1、在分佈式系統環境下,一個方法在同一時間只能被一個機器的一個線程執行; 
2、高可用的獲取鎖與釋放鎖; 
3、高性能的獲取鎖與釋放鎖; 
4、具備可重入特性; 
5、具備鎖失效機制,防止死鎖; 
6、具備非阻塞鎖特性,即沒有獲取到鎖將直接返回獲取鎖失敗。

三、分佈式鎖的三種實現方式:

CAP告訴我們任何一個分佈式系統無法同時滿足一致性、高可用性、分區容錯性。最多同時滿足兩項,在互聯網領域的絕大多數的場景中,都需要犧牲強一致性來換取系統的高可用性,系統往往只需要保證“最終一致性”,只要這個最終時間是在用戶可以接受的範圍內即可。

基於數據庫實現分佈式鎖; 
基於緩存(Redis等)實現分佈式鎖; 
基於Zookeeper實現分佈式鎖;

基於數據庫實現分佈式鎖:

在數據庫中創建一個表,表中包含方法名等字段,並在方法名字段上創建唯一索引,想要執行某個方法,就需要使用方法名向這個表中插入數據,成功插入則獲取鎖,執行完成後刪除對應的行數據釋放鎖。

使用基於數據庫的這種實現方式很簡單,但是對於分佈式鎖應該具備的條件來說,它有一些問題需要解決及優化:

1、因爲是基於數據庫實現的,數據庫的可用性和性能將直接影響分佈式鎖的可用性及性能,所以,數據庫需要雙機部署、數據同步、主備切換;

2、不具備可重入的特性,因爲同一個線程在釋放鎖之前,行數據一直存在,無法再次成功插入數據,所以,需要在表中新增一列,用於記錄當前獲取到鎖的機器和線程信息,在再次獲取鎖的時候,先查詢表中機器和線程信息是否和當前機器和線程相同,若相同則直接獲取鎖;

3、沒有鎖失效機制,因爲有可能出現成功插入數據後,服務器宕機了,對應的數據沒有被刪除,當服務恢復後一直獲取不到鎖,所以,需要在表中新增一列,用於記錄失效時間,並且需要有定時任務清除這些失效的數據;

4、不具備阻塞鎖特性,獲取不到鎖直接返回失敗,所以需要優化獲取邏輯,循環多次去獲取。

5、在實施的過程中會遇到各種不同的問題,爲了解決這些問題,實現方式將會越來越複雜;依賴數據庫需要一定的資源開銷,性能問題需要考慮。

基於Redis的實現方式:

一、選用Redis實現分佈式鎖的原因?

(1)Redis有很高的性能; 
(2)Redis命令對此支持較好,實現起來比較方便

二、實現思想

(1)獲取鎖的時候,使用setnx加鎖,並使用expire命令爲鎖添加一個超時時間,超過該時間則自動釋放鎖,鎖的value值爲一個隨機生成的UUID,通過此在釋放鎖的時候進行判斷。

(2)獲取鎖的時候還設置一個獲取的超時時間,若超過這個時間則放棄獲取鎖。

(3)釋放鎖的時候,通過UUID判斷是不是該鎖,若是該鎖,則執行delete進行鎖釋放。

 

基於ZooKeeper的實現方式:

ZooKeeper是一個爲分佈式應用提供一致性服務的開源組件,它內部是一個分層的文件系統目錄樹結構,規定同一個目錄下只能有一個唯一文件名。基於ZooKeeper實現分佈式鎖的步驟如下:

(1)創建一個目錄mylock; 
(2)線程A想獲取鎖就在mylock目錄下創建臨時順序節點; 
(3)獲取mylock目錄下所有的子節點,然後獲取比自己小的兄弟節點,如果不存在,則說明當前線程順序號最小,獲得鎖; 
(4)線程B獲取所有節點,判斷自己不是最小節點,設置監聽比自己次小的節點; 
(5)線程A處理完,刪除自己的節點,線程B監聽到變更事件,判斷自己是不是最小的節點,如果是則獲得鎖。

優點:具備高可用、可重入、阻塞鎖特性,可解決失效死鎖問題

缺點:因爲需要頻繁的創建和刪除節點,性能上不如Redis方式。

 

 

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