分布式鎖的三種實(shí)現(xiàn)！
分布式鎖是一種用于保證分布式系統(tǒng)中多個(gè)進(jìn)程或線程同步訪問共享資源的技術(shù)。同時(shí)它又是面試中的常見問題，所以我們本文就重點(diǎn)來看分布式鎖的具體實(shí)現(xiàn)（含實(shí)現(xiàn)代碼）。
在分布式系統(tǒng)中，由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)通信延遲、故障等原因，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致的問題。分布式鎖通過協(xié)調(diào)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的行為，保證在任何時(shí)刻只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以訪問共享資源，以避免數(shù)據(jù)的不一致性和沖突。
1、分布式鎖要求
分布式鎖通常需要滿足以下幾個(gè)要求：
- 互斥性：在任意時(shí)刻只能有一個(gè)客戶端持有鎖。
- 不會(huì)發(fā)生死鎖：即使持有鎖的客戶端發(fā)生故障，也能保證鎖最終會(huì)被釋放。
- 具有容錯(cuò)性：分布式鎖需要能夠容忍節(jié)點(diǎn)故障等異常情況，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2、實(shí)現(xiàn)方案
在 Java 中，實(shí)現(xiàn)分布式鎖的方案有多種，包括：
- 基于數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)的分布式鎖：可以通過數(shù)據(jù)庫的樂觀鎖或悲觀鎖實(shí)現(xiàn)分布式鎖，但是由于數(shù)據(jù)庫的 IO 操作比較慢，不適合高并發(fā)場(chǎng)景。
- 基于 ZooKeeper 實(shí)現(xiàn)的分布式鎖：ZooKeeper 是一個(gè)高可用性的分布式協(xié)調(diào)服務(wù)，可以通過它來實(shí)現(xiàn)分布式鎖。但是使用 ZooKeeper 需要部署額外的服務(wù)，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。
- 基于 Redis 實(shí)現(xiàn)的分布式鎖：Redis 是一個(gè)高性能的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，支持分布式部署，可以通過Redis的原子操作實(shí)現(xiàn)分布式鎖，而且具有高性能和高可用性。
3、數(shù)據(jù)庫分布式鎖
數(shù)據(jù)庫的樂觀鎖或悲觀鎖都可以實(shí)現(xiàn)分布式鎖，下面分別來看。
（1）悲觀鎖
在數(shù)據(jù)庫中使用 for update 關(guān)鍵字可以實(shí)現(xiàn)悲觀鎖，我們?cè)?Mapper 中添加 for update 即可對(duì)數(shù)據(jù)加鎖，實(shí)現(xiàn)代碼如下：
<!-- UserMapper.xml -->
<select id="selectByIdForUpdate" resultType="User">
SELECT * FROM user WHERE id = #{id} FOR UPDATE
</select>在 Service 中調(diào)用 Mapper 方法，即可獲取到加鎖的數(shù)據(jù)：
@Transactional
public void updateWithPessimisticLock(int id, String name) {
User user = userMapper.selectByIdForUpdate(id);
if (user != null) {
user.setName(name);
userMapper.update(user);
} else {
throw new RuntimeException("數(shù)據(jù)不存在");
}
}（2）樂觀鎖
在 MyBatis 中，可以通過給表添加一個(gè)版本號(hào)字段來實(shí)現(xiàn)樂觀鎖。在 Mapper 中，使用標(biāo)簽定義更新語句，同時(shí)使用 set 標(biāo)簽設(shè)置版本號(hào)的增量。
<!-- UserMapper.xml -->
<update id="updateWithOptimisticLock">
UPDATE user SET
name = #{name},
version = version + 1
WHERE id = #{id} AND version = #{version}
</update>在 Service 中調(diào)用 Mapper 方法，需要傳入更新數(shù)據(jù)的版本號(hào)。如果更新失敗，說明數(shù)據(jù)已經(jīng)被其他事務(wù)修改，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：
@Transactional
public void updateWithOptimisticLock(int id, String name, int version) {
User user = userMapper.selectById(id);
if (user != null) {
user.setName(name);
user.setVersion(version);
int rows = userMapper.updateWithOptimisticLock(user);
if (rows == 0) {
throw new RuntimeException("數(shù)據(jù)已被其他事務(wù)修改");
}
} else {
throw new RuntimeException("數(shù)據(jù)不存在");
}
}4、Zookeeper 分布式鎖
在 Spring Boot 中，可以使用 Curator 框架來實(shí)現(xiàn) ZooKeeper 分布式鎖，具體實(shí)現(xiàn)分為以下 3 步：
- 引入 Curator 和 ZooKeeper 客戶端依賴；
- 配置 ZooKeeper 連接信息；
- 編寫分布式鎖實(shí)現(xiàn)類。
（1）引入 Curator 和 ZooKeeper
<dependency>
<groupId>org.apache.curator</groupId>
<artifactId>curator-framework</artifactId>
<version>latest</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.apache.curator</groupId>
<artifactId>curator-recipes</artifactId>
<version>latest</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.apache.zookeeper</groupId>
<artifactId>zookeeper</artifactId>
<version>latest</version>
</dependency>（2）配置 ZooKeeper 連接
在 application.yml 中添加 ZooKeeper 連接配置：
spring:
zookeeper:
connect-string: localhost:2181
namespace: demo（3）編寫分布式鎖實(shí)現(xiàn)類
@Component
public class DistributedLock {
@Autowired
private CuratorFramework curatorFramework;
/**
* 獲取分布式鎖
*
* @param lockPath 鎖路徑
* @param waitTime 等待時(shí)間
* @param leaseTime 鎖持有時(shí)間
* @param timeUnit 時(shí)間單位
* @return 鎖對(duì)象
* @throws Exception 獲取鎖異常
*/
public InterProcessMutex acquire(String lockPath, long waitTime, long leaseTime, TimeUnit timeUnit) throws Exception {
InterProcessMutex lock = new InterProcessMutex(curatorFramework, lockPath);
if (!lock.acquire(waitTime, timeUnit)) {
throw new RuntimeException("獲取分布式鎖失敗");
}
if (leaseTime > 0) {
lock.acquire(leaseTime, timeUnit);
}
return lock;
}
/**
* 釋放分布式鎖
*
* @param lock 鎖對(duì)象
* @throws Exception 釋放鎖異常
*/
public void release(InterProcessMutex lock) throws Exception {
if (lock != null) {
lock.release();
}
}
}5、Redis 分布式鎖
我們可以使用 Redis 客戶端 Redisson 實(shí)現(xiàn)分布式鎖，它的實(shí)現(xiàn)步驟如下：
- 添加 Redisson 依賴
- 配置 Redisson 連接信息
- 編寫分布式鎖代碼類
（1）添加 Redisson 依賴
在 pom.xml 中添加如下配置：
<!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.redisson/redisson-spring-boot-starter -->
<dependency>
<groupId>org.redisson</groupId>
<artifactId>redisson-spring-boot-starter</artifactId>
<version>3.20.0</version>
</dependency>（2）配置 Redisson 連接
在 Spring Boot 項(xiàng)目的配置文件 application.yml 中添加 Redisson 配置：
spring:
data:
redis:
host: localhost
port: 6379
database: 0
redisson:
codec: org.redisson.codec.JsonJacksonCodec
single-server-config:
address: "redis://${spring.data.redis.host}:${spring.redis.port}"
database: "${spring.data.redis.database}"
password: "${spring.data.redis.password}"（3）編寫分布式鎖代碼類
import jakarta.annotation.Resource;
import org.redisson.Redisson;
import org.redisson.api.RLock;
import org.springframework.stereotype.Service;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
@Service
public class RedissonLockService {
@Resource
private Redisson redisson;
/**
* 加鎖
*
* @param key 分布式鎖的 key
* @param timeout 超時(shí)時(shí)間
* @param unit 時(shí)間單位
* @return
*/
public boolean tryLock(String key, long timeout, TimeUnit unit) {
RLock lock = redisson.getLock(key);
try {
return lock.tryLock(timeout, unit);
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
return false;
}
}
/**
* 釋放分布式鎖
*
* @param key 分布式鎖的 key
*/
public void unlock(String key) {
RLock lock = redisson.getLock(key);
lock.unlock();
}
}6、Redis VS Zookeeper
Redis 和 ZooKeeper 都可以用來實(shí)現(xiàn)分布式鎖，它們?cè)趯?shí)現(xiàn)分布式鎖的機(jī)制和原理上有所不同，具體區(qū)別如下：
- 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式：Redis 將鎖信息存儲(chǔ)在內(nèi)存中，而 ZooKeeper 將鎖信息存儲(chǔ)在 ZooKeeper 的節(jié)點(diǎn)上，因此 ZooKeeper 需要更多的磁盤空間。
- 鎖的釋放：Redis 的鎖是通過設(shè)置鎖的過期時(shí)間來自動(dòng)釋放的，而 ZooKeeper 的鎖需要手動(dòng)釋放，如果鎖的持有者出現(xiàn)宕機(jī)或網(wǎng)絡(luò)中斷等情況，需要等待鎖的超時(shí)時(shí)間才能自動(dòng)釋放。
- 鎖的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制：Redis 使用的是單機(jī)鎖，即所有請(qǐng)求都直接連接到同一臺(tái) Redis 服務(wù)器，容易發(fā)生單點(diǎn)故障；而 ZooKeeper 使用的是分布式鎖，即所有請(qǐng)求都連接到 ZooKeeper 集群，具有較好的可用性和可擴(kuò)展性。
- 一致性：Redis 的鎖是非嚴(yán)格意義下的分布式鎖，因?yàn)樵诙嗯_(tái)機(jī)器上運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程時(shí)，由于 Redis 的主從同步可能會(huì)存在數(shù)據(jù)不一致的問題；而 ZooKeeper 是強(qiáng)一致性的分布式系統(tǒng)，保證了數(shù)據(jù)的一致性。
- 性能：Redis 的性能比 ZooKeeper 更高，因?yàn)?Redis 將鎖信息存儲(chǔ)在內(nèi)存中，而 ZooKeeper 需要進(jìn)行磁盤讀寫操作。
總之，Redis 適合實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的分布式鎖場(chǎng)景，而 ZooKeeper 適合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的分布式協(xié)調(diào)場(chǎng)景，也就是 ZooKeeper 適合強(qiáng)一致性的分布式系統(tǒng)。
“強(qiáng)一致性是指系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)在任何時(shí)刻看到的數(shù)據(jù)都是一致的。ZooKeeper 中的數(shù)據(jù)是有序的樹形結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有唯一的路徑標(biāo)識(shí)符，所有節(jié)點(diǎn)都共享同一份數(shù)據(jù)，當(dāng)任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)收到通知，更新數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)的一致性。在 ZooKeeper 中，強(qiáng)一致性體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的讀寫操作上。ZooKeeper 使用 ZAB（ZooKeeper Atomic Broadcast）協(xié)議來保證數(shù)據(jù)的一致性，該協(xié)議確保了數(shù)據(jù)更新的順序，所有的數(shù)據(jù)更新都需要經(jīng)過集群中的大多數(shù)節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，保證了數(shù)據(jù)的一致性和可靠性。”
小結(jié)
在 Java 中，使用數(shù)據(jù)庫、ZooKeeper 和 Redis 都可以實(shí)現(xiàn)分布式鎖。但數(shù)據(jù)庫 IO 操作比較慢，不適合高并發(fā)場(chǎng)景；Redis 執(zhí)行效率最高，但在主從切換時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)鎖丟失的情況；ZooKeeper 是一個(gè)高可用性的分布式協(xié)調(diào)服務(wù)，可以保證數(shù)據(jù)的強(qiáng)一致性，但是使用 ZooKeeper 需要部署額外的服務(wù)，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。所以沒有最好的解決方案，只有最合適自己的解決方案。
