【分布式】分布式锁

本文为分布式学习笔记，参考了JavaGuide

各种锁概念介绍：

  1. 可重入锁：允许线程在持有锁的情况下多次获取同一个锁，而不会被自己所持有的锁所阻塞，这种特性也被称为锁的可重入性。

  2. 自旋锁：与传统的互斥锁不同，自旋锁不会将线程挂起（进入阻塞状态），而是在获取锁时不断循环尝试获取，直到成功为止，因此称为“自旋”。

自旋锁优缺点：

  • 优点：自旋锁适用于短期内资源占用的情况，不涉及线程上下文切换，避免了上下文切换开销。
  • 缺点：不适用长期资源占用情况，长时间自旋时会导致其他线程无法获取CPU时间片，导致CPU资源浪费。
  1. 公平锁：公平锁是一种锁的获取机制，它确保线程按照请求锁的顺序来获取锁，即先到先得的原则。在使用公平锁时，如果有多个线程在等待同一个锁，那么锁会被分配给等待时间最长的线程。

特点：按顺序获取锁、避免线程饥饿（即某个线程一直无法获取到锁）、性能相对较低

  1. 多重锁：多重锁通常指的是一种锁的嵌套使用或者多个锁的同时持有。
  2. 红锁：红锁是一种分布式锁的算法，旨在解决在分布式环境下的锁竞争和故障恢复问题。

红锁步骤如下：

  1. 客户端尝试在 N 个 Redis 实例上获取锁，每个实例使用相同的锁名称和唯一的随机值作为锁的值，同时设置相同的过期时间（TTL）。
  2. 客户端在大多数（大于等于 N/2+1） Redis 实例上成功获取到锁时，认为获取锁成功；否则认为获取锁失败。
  3. 如果客户端获取锁失败，会在所有 Redis 实例上释放已经获取到的锁。
  4. 当客户端释放锁时，会在所有 Redis 实例上释放锁。

特点：高可用性、容错性、存在一定性能开销

  • 高可用性：通过在多个 Redis 实例上获取锁，提高了锁的可用性和可靠性，即使部分 Redis 实例宕机或者网络分区，也能够继续提供服务。
  • 容错性：红锁算法能够容忍部分 Redis 实例获取锁失败的情况，只要大多数实例成功获取到锁即可认为获取锁成功。
  • 性能开销：尽管红锁算法提高了锁的可用性和可靠性，但是在获取锁和释放锁的过程中需要访问多个 Redis 实例，可能会带来一定的性能开销。
  1. 读写锁：与传统的互斥锁不同，读写锁允许多个线程同时读取共享资源，但在写操作时需要独占访问。

读写锁特点：

  • 读取共享资源的并发性：读取操作是非互斥的，多个线程可以同时持有读锁并读取共享资源，这样可以提高并发性能。
  • 写入共享资源的互斥性：写入操作是互斥的，只有当没有其他线程持有读锁或写锁时，写入操作才能够执行。
  • 写锁优先级高于读锁：当一个线程持有写锁时，其他线程无法获取读锁或写锁，确保写入操作的一致性。

分布式锁

在多线程访问共享资源时，会发生数据竞争，这时就需要锁。

常规的锁，比如ReetrantLock类、synchronized关键字等本地锁都是在同一个JVM虚拟机中，用来控制对共享资源的访问。

但是在分布式的情况下，不同的线程不在同一个JVM中，甚至不在同一台机器上，那么在对共享资源进行访问控制时，就需要分布式锁。

一个分布式锁应具备以下基本要求：

  • 互斥：任意时刻，锁只能被同一线程持有
  • 高可用：当一个锁出现问题时，能够自动切换到另外一个锁服务。并且客户端锁释放出现问题时，锁最终也能够被释放（一般通过超时机制完成）
  • 可重入：一个节点获取该锁后，可以再次获取该锁

除了上述基本条件，一个优秀的锁还应该：

  • 高性能：锁的获取和释放应该在短时间完成，不会对系统有太大影响
  • 非阻塞：如果获取不到锁，不能无限等待

常见实现方式

分布式锁一般有以下几种常见实现：

  • 基于关系型数据库，例如MySQL实现分。
  • 基于分布式协调服务，例如ZooKeeper实现。
  • 基于分布式键值存储中间件，例如Redis、Etcd实现。

数据库

关系型数据库一般通过唯一索引或者排他锁实现，不过一般不会使用这种方式，因为性能太差、不具备锁失效机制。

Redis

不论是本地锁还是分布式锁，核心都在于互斥。

Redis中，SETNX可以实现互斥（SET if Not eXists），类似Java中的setIfAbsent，如果key不存在就设置，并返回1，存在则直接返回0。

本地:db0> setnx lock_key lock_value
1
本地:db0> setnx lock_key lock_value
0
本地:db0>

释放锁只需要使用DEL命令直接删除对应的key即可：

本地:db0> del lock_key
1
本地:db0>

为了防止误删到其他锁，建议使用lua脚本根据key对应的value值去删除。
使用lua脚本是因为redis在执行lua脚本时，可以以原子性方式执行：

-- 释放锁时，先比较锁对应的 value 值是否相等，避免锁的误释放
if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
    return redis.call("del",KEYS[1])
else
    return 0
end

这种方式比较简单高效，但是可能存在锁无法释放的问题（比如客户端线程突然挂掉）。

给锁设置过期时间

为了避免锁无法被释放，可以给锁设置一个过期时间：

本地:db0> SET lock_key lock_value EX 30 NX
OK
本地:db0> SET lock_key lock_value EX 30 NX

本地:db0>

EX代表过期时间，示例为30秒，NX代表不存在才设置。

一定要保证设置指定 key 的值和过期时间是一个原子操作！！！不然仍旧会存在锁无法被释放的情况。

这种方式虽然避免了锁无法被释放，但是可能会出现锁提前被释放的问题，而且过期时间也不好判断。

如果对共享资源的操作未完成时，锁能够自动续期就好了。

锁的续期

Java中常用的是Redisson，其他语言也可以在Redis官方文档中找到对应方案。

Redisson中的分布式锁自带续期功能，原理就是提供了一个专门用来监控和续期锁的Watch Dog（看门狗），如果操作共享资源的线程还没有结束，看门狗会自动续期。

Redisson默认创建一个30秒的锁，每次续期10秒钟

这里以 Redisson 的分布式可重入锁 RLock 为例来说明如何使用 Redisson 实现分布式锁：

// 1.获取指定的分布式锁对象
RLock lock = redisson.getLock("lock");
// 2.拿锁且不设置锁超时时间，具备 Watch Dog 自动续期机制
lock.lock();
// 3.执行业务
...
// 4.释放锁
lock.unlock();

只有未指定锁超时时间，才会使用到 Watch Dog 自动续期机制。

// 手动给锁设置过期时间，不具备 Watch Dog 自动续期机制
lock.lock(10, TimeUnit.SECONDS);

锁的可重入

可重入的意思就是，持有锁的线程再次获取锁时仍然可以获取该锁。
Java中的ReentrantLock和synchronized都是可重入的，并且lock几次，同时也需要unlock几次（重入计数器）。

项目中的分布式锁推荐使用Redisson，它内置了多种类型的锁：可重入锁（Reentrant Lock）、自旋锁（Spin Lock）、公平锁（Fair Lock）、多重锁（MultiLock）、 红锁（RedLock）、 读写锁（ReadWriteLock）。

Redis如何解决集群情况下分布式锁的可靠性

为了避免单点故障，生产环境中Redis一般都是集群部署。

集群情况下分布式锁一般使用红锁RedLock，这种方式直接操作Redis节点，但是实现复杂，性能较差，一般也不推荐使用。

ZooKeeper也可以实现分布式锁

……

posted @ 2024-03-22 10:33  code-blog  阅读(15)  评论(0)  编辑  收藏  举报