Java－分布式锁的实现方式
基于数据库实现分布式锁
- 悲观锁
- 利用 select … where … for update 排他锁。
- 注意：其他附加功能与实现基本一致，这里需要注意的是“where name=lock”，name字段必须要走索引，否则会锁表。有些情况下，比如表不大，MySQL优化器会不走这个索引，导致锁表问题。
- 乐观锁
- 所谓乐观锁与前边最大的区别在于其基于CAS思想，是不具有互斥性，不会产生锁等待而消耗资源，操作过程中认为不存在并发冲突，只有update version失败后才能觉察到。我们的抢购、秒杀就是用了这种实现以防止超卖。
- 通过增加递增的版本号字段实现乐观锁。
基于缓存（Redis等）实现分布式锁
- 使用命令介绍：
- SETNX
- SETNX key val：当且仅当key不存在时，set一个key为val的字符串，返回1；若key存在，则什么都不做，返回0。
- expire
- expire key timeout：为key设置一个超时时间，单位为second，超过这个时间锁会自动释放，避免死锁。
- delete
- delete key：删除key。
- 在使用Redis实现分布式锁的时候，主要就会使用到这三个命令。
- 实现思想：
- 获取锁的时候，使用setnx加锁，并使用expire命令为锁添加一个超时时间，超过该时间则自动释放锁。锁的value值为一个随机生成的UUID，通过此UUID在释放锁的时候进行判断。
- 获取锁的时候还设置一个获取的超时时间，若超过这个时间则放弃获取锁。
- 释放锁的时候，通过UUID判断是不是该锁，若是该锁，则执行delete进行锁释放。
- 分布式锁的简单实现代码：
/* 分布式锁的简单实现代码 */
public class DistributedLock {
private final JedisPool jedisPool;
public DistributedLock(JedisPool jedisPool) {
this.jedisPool = jedisPool;
}
/**
* 加锁
* @param lockName 锁的key
* @param acquireTimeout 获取超时时间
* @param timeout 锁的超时时间
* @return 锁标识
*/
public String lockWithTimeout(String lockName, long acquireTimeout, long timeout) {
Jedis conn = null;
String retIdentifier = null;
try {
// 获取连接
conn = jedisPool.getResource();
// 随机生成一个value
String identifier = UUID.randomUUID().toString();
// 锁名，即key值
String lockKey = "lock:" + lockName;
// 超时时间，上锁后超过此时间则自动释放锁
int lockExpire = (int) (timeout / 1000);
// 获取锁的超时时间，超过这个时间则放弃获取锁
long end = System.currentTimeMillis() + acquireTimeout;
while (System.currentTimeMillis() < end) {
if (conn.setnx(lockKey, identifier) == 1) {
conn.expire(lockKey, lockExpire);
// 返回value值，用于释放锁时间确认
retIdentifier = identifier;
return retIdentifier;
}
// 返回-1代表key没有设置超时时间，为key设置一个超时时间
if (conn.ttl(lockKey) == -1) {
conn.expire(lockKey, lockExpire);
}
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
} catch (JedisException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (conn != null) {
conn.close();
}
}
return retIdentifier;
}
/**
* 释放锁
* @param lockName 锁的key
* @param identifier 释放锁的标识
* @return
*/
public boolean releaseLock(String lockName, String identifier) {
Jedis conn = null;
String lockKey = "lock:" + lockName;
boolean retFlag = false;
try {
conn = jedisPool.getResource();
while (true) {
// 监视lock，准备开始事务
conn.watch(lockKey);
// 通过前面返回的value值判断是不是该锁，若是该锁，则删除，释放锁
if (identifier.equals(conn.get(lockKey))) {
Transaction transaction = conn.multi();
transaction.del(lockKey);
List<Object> results = transaction.exec();
if (results == null) {
continue;
}
retFlag = true;
}
conn.unwatch();
break;
}
} catch (JedisException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (conn != null) {
conn.close();
}
}
return retFlag;
}
}- 测试刚才实现的分布式锁：
- 例子中使用50个线程模拟秒杀一个商品，使用–运算符来实现商品减少，从结果有序性就可以看出是否为加锁状态。
- 模拟秒杀服务，在其中配置了jedis线程池，在初始化的时候传给分布式锁，供其使用。
public class Service {
private static JedisPool pool = null;
private DistributedLock lock = new DistributedLock(pool);
int n = 500;
static {
JedisPoolConfig config = new JedisPoolConfig();
// 设置最大连接数
config.setMaxTotal(200);
// 设置最大空闲数
config.setMaxIdle(8);
// 设置最大等待时间
config.setMaxWaitMillis(1000 * 100);
// 在borrow一个jedis实例时，是否需要验证，若为true，则所有jedis实例均是可用的
config.setTestOnBorrow(true);
pool = new JedisPool(config, "127.0.0.1", 6379, 3000);
}
public void seckill() {
// 返回锁的value值，供释放锁时候进行判断
String identifier = lock.lockWithTimeout("resource", 5000, 1000);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得了锁");
System.out.println(--n);
lock.releaseLock("resource", identifier);
}
}- 模拟线程进行秒杀服务：
public class ThreadA extends Thread {
private Service service;
public ThreadA(Service service) {
this.service = service;
}
@Override
public void run() {
service.seckill();
}
}
public class Test {
public static void main(String[] args) {
Service service = new Service();
for (int i = 0; i < 50; i++) {
ThreadA threadA = new ThreadA(service);
threadA.start();
}
}
}基于Zookeeper实现分布式锁
- ZooKeeper是一个为分布式应用提供一致性服务的开源组件，它内部是一个分层的文件系统目录树结构，规定同一个目录下只能有一个唯一文件名。基于ZooKeeper实现分布式锁的步骤如下：
- 创建一个目录mylock；
- 线程A想获取锁就在mylock目录下创建临时顺序节点；
- 获取mylock目录下所有的子节点，然后获取比自己小的兄弟节点，如果不存在，则说明当前线程顺序号最小，获得锁
- 线程B获取所有节点，判断自己不是最小节点，设置监听比自己次小的节点；
- 线程A处理完，删除自己的节点，线程B监听到变更事件，判断自己是不是最小的节点，如果是则获得锁。
- 这里推荐一个Apache的开源库Curator，它是一个ZooKeeper客户端，Curator提供的InterProcessMutex是分布式锁的实现，acquire方法用于获取锁，release方法用于释放锁。
- 实现源码如下：
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.apache.commons.lang.StringUtils;
import org.apache.curator.framework.CuratorFramework;
import org.apache.curator.framework.CuratorFrameworkFactory;
import org.apache.curator.retry.RetryNTimes;
import org.apache.zookeeper.CreateMode;
import org.apache.zookeeper.data.Stat;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Value;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.stereotype.Component;
/**
* 分布式锁Zookeeper实现
*
*/
@Slf4j
@Component
public class ZkLock implements DistributionLock {
private String zkAddress = "zk_adress";
private static final String root = "package root";
private CuratorFramework zkClient;
private final String LOCK_PREFIX = "/lock_";
@Bean
public DistributionLock initZkLock() {
if (StringUtils.isBlank(root)) {
throw new RuntimeException("zookeeper 'root' can't be null");
}
zkClient = CuratorFrameworkFactory
.builder()
.connectString(zkAddress)
.retryPolicy(new RetryNTimes(2000, 20000))
.namespace(root)
.build();
zkClient.start();
return this;
}
public boolean tryLock(String lockName) {
lockName = LOCK_PREFIX+lockName;
boolean locked = true;
try {
Stat stat = zkClient.checkExists().forPath(lockName);
if (stat == null) {
log.info("tryLock:{}", lockName);
stat = zkClient.checkExists().forPath(lockName);
if (stat == null) {
zkClient
.create()
.creatingParentsIfNeeded()
.withMode(CreateMode.EPHEMERAL)
.forPath(lockName, "1".getBytes());
} else {
log.warn("double-check stat.version:{}", stat.getAversion());
locked = false;
}
} else {
log.warn("check stat.version:{}", stat.getAversion());
locked = false;
}
} catch (Exception e) {
locked = false;
}
return locked;
}
public boolean tryLock(String key, long timeout) {
return false;
}
public void release(String lockName) {
lockName = LOCK_PREFIX+lockName;
try {
zkClient
.delete()
.guaranteed()
.deletingChildrenIfNeeded()
.forPath(lockName);
log.info("release:{}", lockName);
} catch (Exception e) {
log.error("删除", e);
}
}
public void setZkAddress(String zkAddress) {
this.zkAddress = zkAddress;
}
}- 优点：具备高可用、可重入、阻塞锁特性，可解决失效死锁问题。
- 缺点：因为需要频繁的创建和删除节点，性能上不如Redis方式。
对比
数据库分布式锁实现
缺点：
- db操作性能较差，并且有锁表的风险。
- 非阻塞操作失败后，需要轮询，占用cpu资源。
- 长时间不commit或者长时间轮询，可能会占用较多连接资源。
Redis(缓存)分布式锁实现
缺点：
- 锁删除失败，过期时间不好控制。
- 非阻塞，操作失败后，需要轮询，占用cpu资源。
ZK分布式锁实现
缺点：
- 性能不如redis实现，主要原因是写操作（获取锁释放锁）都需要在leader上执行，然后同步到follower。
- 总之：ZooKeeper有较好的性能和可靠性。
- 从理解的难易程度角度（从低到高）：数据库 > 缓存 > Zookeeper
- 从实现的复杂性角度（从低到高）：Zookeeper >= 缓存 > 数据库
- 从性能角度（从高到低）：缓存 > Zookeeper >= 数据库
- 从可靠性角度（从高到低）：Zookeeper > 缓存 > 数据库
