面试再也不怕!实现分布式锁都有哪些方式?
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来源:https://tinyurl.com/yyldd759


面试题

  • 一般实现分布式锁都有哪些方式?

  • 使用 redis 如何设计分布式锁?

  • 使用 zk 来设计分布式锁可以吗?

  • 这两种分布式锁的实现方式哪种效率比较高?

面试官心理分析

其实一般问问题,都是这么问的,先问问你 zk,然后其实是要过度到 zk 关联的一些问题里去,比如分布式锁。因为在分布式系统开发中,分布式锁的使用场景还是很常见的。

面试题剖析

redis 分布式锁

官方叫做 RedLock 算法,是 redis 官方支持的分布式锁算法。

这个分布式锁有 3 个重要的考量点:

  • 互斥(只能有一个客户端获取锁)

  • 不能死锁

  • 容错(只要大部分 redis 节点创建了这把锁就可以)

redis 最普通的分布式锁

第一个最普通的实现方式,就是在 redis 里创建一个 key,这样就算加锁。

  1. SET my:lock 随机值 NX PX 30000

  2. 复制代码

执行这个命令就 ok。

  • NX:表示只有 key 不存在的时候才会设置成功。(如果此时 redis 中存在这个 key,那么设置失败,返回 nil

  • PX30000:意思是 30s 后锁自动释放。别人创建的时候如果发现已经有了就不能加锁了。

释放锁就是删除 key ,但是一般可以用 lua 脚本删除,判断 value 一样才删除:

  1. -- 删除锁的时候,找到 key 对应的 value,跟自己传过去的 value 做比较,如果是一样的才删除。

  2. if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then

  3. return redis.call("del",KEYS[1])

  4. else

  5. return 0

  6. end

  7. 复制代码

为啥要用随机值呢?因为如果某个客户端获取到了锁,但是阻塞了很长时间才执行完,比如说超过了 30s,此时可能已经自动释放锁了,此时可能别的客户端已经获取到了这个锁,要是你这个时候直接删除 key 的话会有问题,所以得用随机值加上面的 lua 脚本来释放锁。

但是这样是肯定不行的。因为如果是普通的 redis 单实例,那就是单点故障。或者是 redis 普通主从,那 redis 主从异步复制,如果主节点挂了(key 就没有了),key 还没同步到从节点,此时从节点切换为主节点,别人就可以 set key,从而拿到锁。

RedLock 算法

这个场景是假设有一个 redis cluster,有 5 个 redis master 实例。然后执行如下步骤获取一把锁:

  1. 获取当前时间戳,单位是毫秒;

  2. 跟上面类似,轮流尝试在每个 master 节点上创建锁,过期时间较短,一般就几十毫秒;

  3. 尝试在大多数节点上建立一个锁,比如 5 个节点就要求是 3 个节点 n/2+1

  4. 客户端计算建立好锁的时间,如果建立锁的时间小于超时时间,就算建立成功了;

  5. 要是锁建立失败了,那么就依次之前建立过的锁删除;

  6. 只要别人建立了一把分布式锁,你就得不断轮询去尝试获取锁

zk 分布式锁

zk 分布式锁,其实可以做的比较简单,就是某个节点尝试创建临时 znode,此时创建成功了就获取了这个锁;这个时候别的客户端来创建锁会失败,只能注册个监听器监听这个锁。释放锁就是删除这个 znode,一旦释放掉就会通知客户端,然后有一个等待着的客户端就可以再次重新加锁。

  1. /**

  2. * ZooKeeperSession

  3. *

  4. * @author bingo

  5. * @since 2018/11/29

  6. *

  7. */

  8. public class ZooKeeperSession {


  9. private static CountDownLatch connectedSemaphore = new CountDownLatch(1);


  10. private ZooKeeper zookeeper;

  11. private CountDownLatch latch;


  12. public ZooKeeperSession() {

  13. try {

  14. this.zookeeper = new ZooKeeper("192.168.31.187:2181,192.168.31.19:2181,192.168.31.227:2181", 50000, new ZooKeeperWatcher());

  15. try {

  16. connectedSemaphore.await();

  17. } catch (InterruptedException e) {

  18. e.printStackTrace();

  19. }


  20. System.out.println("ZooKeeper session established......");

  21. } catch (Exception e) {

  22. e.printStackTrace();

  23. }

  24. }


  25. /**

  26. * 获取分布式锁

  27. *

  28. * @param productId

  29. */

  30. public Boolean acquireDistributedLock(Long productId) {

  31. String path = "/product-lock-" + productId;


  32. try {

  33. zookeeper.create(path, "".getBytes(), Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL);

  34. return true;

  35. } catch (Exception e) {

  36. while (true) {

  37. try {

  38. // 相当于是给node注册一个监听器,去看看这个监听器是否存在

  39. Stat stat = zk.exists(path, true);


  40. if (stat != null) {

  41. this.latch = new CountDownLatch(1);

  42. this.latch.await(waitTime, TimeUnit.MILLISECONDS);

  43. this.latch = null;

  44. }

  45. zookeeper.create(path, "".getBytes(), Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL);

  46. return true;

  47. } catch (Exception ee) {

  48. continue;

  49. }

  50. }


  51. }

  52. return true;

  53. }


  54. /**

  55. * 释放掉一个分布式锁

  56. *

  57. * @param productId

  58. */

  59. public void releaseDistributedLock(Long productId) {

  60. String path = "/product-lock-" + productId;

  61. try {

  62. zookeeper.delete(path, -1);

  63. System.out.println("release the lock for product[id=" + productId + "]......");

  64. } catch (Exception e) {

  65. e.printStackTrace();

  66. }

  67. }


  68. /**

  69. * 建立zk session的watcher

  70. *

  71. * @author bingo

  72. * @since 2018/11/29

  73. *

  74. */

  75. private class ZooKeeperWatcher implements Watcher {


  76. public void process(WatchedEvent event) {

  77. System.out.println("Receive watched event: " + event.getState());


  78. if (KeeperState.SyncConnected == event.getState()) {

  79. connectedSemaphore.countDown();

  80. }


  81. if (this.latch != null) {

  82. this.latch.countDown();

  83. }

  84. }


  85. }


  86. /**

  87. * 封装单例的静态内部类

  88. *

  89. * @author bingo

  90. * @since 2018/11/29

  91. *

  92. */

  93. private static class Singleton {


  94. private static ZooKeeperSession instance;


  95. static {

  96. instance = new ZooKeeperSession();

  97. }


  98. public static ZooKeeperSession getInstance() {

  99. return instance;

  100. }


  101. }


  102. /**

  103. * 获取单例

  104. *

  105. * @return

  106. */

  107. public static ZooKeeperSession getInstance() {

  108. return Singleton.getInstance();

  109. }


  110. /**

  111. * 初始化单例的便捷方法

  112. */

  113. public static void init() {

  114. getInstance();

  115. }


  116. }

  117. 复制代码

也可以采用另一种方式,创建临时顺序节点:

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。

  1. public class ZooKeeperDistributedLock implements Watcher {


  2. private ZooKeeper zk;

  3. private String locksRoot = "/locks";

  4. private String productId;

  5. private String waitNode;

  6. private String lockNode;

  7. private CountDownLatch latch;

  8. private CountDownLatch connectedLatch = new CountDownLatch(1);

  9. private int sessionTimeout = 30000;


  10. public ZooKeeperDistributedLock(String productId) {

  11. this.productId = productId;

  12. try {

  13. String address = "192.168.31.187:2181,192.168.31.19:2181,192.168.31.227:2181";

  14. zk = new ZooKeeper(address, sessionTimeout, this);

  15. connectedLatch.await();

  16. } catch (IOException e) {

  17. throw new LockException(e);

  18. } catch (KeeperException e) {

  19. throw new LockException(e);

  20. } catch (InterruptedException e) {

  21. throw new LockException(e);

  22. }

  23. }


  24. public void process(WatchedEvent event) {

  25. if (event.getState() == KeeperState.SyncConnected) {

  26. connectedLatch.countDown();

  27. return;

  28. }


  29. if (this.latch != null) {

  30. this.latch.countDown();

  31. }

  32. }


  33. public void acquireDistributedLock() {

  34. try {

  35. if (this.tryLock()) {

  36. return;

  37. } else {

  38. waitForLock(waitNode, sessionTimeout);

  39. }

  40. } catch (KeeperException e) {

  41. throw new LockException(e);

  42. } catch (InterruptedException e) {

  43. throw new LockException(e);

  44. }

  45. }


  46. public boolean tryLock() {

  47. try {

  48. // 传入进去的locksRoot + “/” + productId

  49. // 假设productId代表了一个商品id,比如说1

  50. // locksRoot = locks

  51. // /locks/10000000000,/locks/10000000001,/locks/10000000002

  52. lockNode = zk.create(locksRoot + "/" + productId, new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);


  53. // 看看刚创建的节点是不是最小的节点

  54. // locks:10000000000,10000000001,10000000002

  55. List<String> locks = zk.getChildren(locksRoot, false);

  56. Collections.sort(locks);


  57. if(lockNode.equals(locksRoot+"/"+ locks.get(0))){

  58. //如果是最小的节点,则表示取得锁

  59. return true;

  60. }


  61. //如果不是最小的节点,找到比自己小1的节点

  62. int previousLockIndex = -1;

  63. for(int i = 0; i < locks.size(); i++) {

  64. if(lockNode.equals(locksRoot + “/” + locks.get(i))) {

  65. previousLockIndex = i - 1;

  66. break;

  67. }

  68. }


  69. this.waitNode = locks.get(previousLockIndex);

  70. } catch (KeeperException e) {

  71. throw new LockException(e);

  72. } catch (InterruptedException e) {

  73. throw new LockException(e);

  74. }

  75. return false;

  76. }


  77. private boolean waitForLock(String waitNode, long waitTime) throws InterruptedException, KeeperException {

  78. Stat stat = zk.exists(locksRoot + "/" + waitNode, true);

  79. if (stat != null) {

  80. this.latch = new CountDownLatch(1);

  81. this.latch.await(waitTime, TimeUnit.MILLISECONDS);

  82. this.latch = null;

  83. }

  84. return true;

  85. }


  86. public void unlock() {

  87. try {

  88. // 删除/locks/10000000000节点

  89. // 删除/locks/10000000001节点

  90. System.out.println("unlock " + lockNode);

  91. zk.delete(lockNode, -1);

  92. lockNode = null;

  93. zk.close();

  94. } catch (InterruptedException e) {

  95. e.printStackTrace();

  96. } catch (KeeperException e) {

  97. e.printStackTrace();

  98. }

  99. }


  100. public class LockException extends RuntimeException {

  101. private static final long serialVersionUID = 1L;


  102. public LockException(String e) {

  103. super(e);

  104. }


  105. public LockException(Exception e) {

  106. super(e);

  107. }

  108. }

  109. }

  110. 复制代码

redis 分布式锁和 zk 分布式锁的对比

  • redis 分布式锁,其实需要自己不断去尝试获取锁,比较消耗性能。

  • zk 分布式锁,获取不到锁,注册个监听器即可,不需要不断主动尝试获取锁,性能开销较小。

另外一点就是,如果是 redis 获取锁的那个客户端 出现 bug 挂了,那么只能等待超时时间之后才能释放锁;而 zk 的话,因为创建的是临时 znode,只要客户端挂了,znode 就没了,此时就自动释放锁。

redis 分布式锁大家没发现好麻烦吗?遍历上锁,计算时间等等......zk 的分布式锁语义清晰实现简单。

所以先不分析太多的东西,就说这两点,我个人实践认为 zk 的分布式锁比 redis 的分布式锁牢靠、而且模型简单易用。


-End-


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