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分布式锁

2024.10.11 | cuithink | 59次围观

什么是分布式锁

要介绍分布式锁,首先要提到与分布式锁相对应的是线程锁、进程锁。

  • 线程锁:主要用来给方法、代码块加锁。当某个方法或代码使用锁,在同一时刻仅有一个线程执行该方法或该代码段。线程锁只在同一JVM中有效果,因为线程锁的实现在根本上是依靠线程之间共享内存实现的,比如synchronized是共享对象头,显示锁Lock是共享某个变量(state)。

  • 进程锁:为了控制同一操作系统中多个进程访问某个共享资源,因为进程具有独立性,各个进程无法访问其他进程的资源,因此无法通过synchronized等线程锁实现进程锁。

  • 分布式锁:当多个进程不在同一个系统中(比如分布式系统中控制共享资源访问),用分布式锁控制多个进程对资源的访问。

分布式锁的设计原则

分布式锁的最小设计原则:安全性有效性

Redis的官网在新窗口打开上对使用分布式锁提出至少需要满足如下三个要求:

  1. 互斥(属于安全性):在任何给定时刻,只有一个客户端可以持有锁。

  2. 无死锁(属于有效性):即使锁定资源的客户端崩溃或被分区,也总是可以获得锁;通常通过超时机制实现。

  3. 容错性(属于有效性):只要大多数 Redis 节点都启动,客户端就可以获取和释放锁。

除此之外,分布式锁的设计中还可以/需要考虑:

  1. 加锁解锁的同源性:A加的锁,不能被B解锁

  2. 获取锁是非阻塞的:如果获取不到锁,不能无限期等待;

  3. 高性能:加锁解锁是高性能的

分布式锁的实现方案

就体系的角度而言,谈谈常见的分布式锁的实现方案。

  • 基于数据库实现分布式锁

    • 基于数据库表(锁表,很少使用)

    • 乐观锁(基于版本号)

    • 悲观锁(基于排它锁)

  • 基于 redis 实现分布式锁:

    • 单个Redis实例:setnx(key,当前时间+过期时间) + Lua

    • Redis集群模式:Redlock

  • 基于 zookeeper实现分布式锁

    • 临时有序节点来实现的分布式锁,Curator

  • 基于 Consul 实现分布式锁

基于数据库如何实现分布式锁?有什么缺陷?

基于数据库如何实现分布式锁?有什么缺陷?

基于数据库表(锁表,很少使用)

最简单的方式可能就是直接创建一张锁表,然后通过操作该表中的数据来实现了。当我们想要获得锁的时候,就可以在该表中增加一条记录,想要释放锁的时候就删除这条记录。

为了更好的演示,我们先创建一张数据库表,参考如下:

CREATE TABLE database_lock (
	`id` BIGINT NOT NULL AUTO_INCREMENT,
	`resource` int NOT NULL COMMENT '锁定的资源',
	`description` varchar(1024) NOT NULL DEFAULT "" COMMENT '描述',
	PRIMARY KEY (id),
	UNIQUE KEY uiq_idx_resource (resource)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COMMENT='数据库分布式锁表';

当我们想要获得锁时,可以插入一条数据:

INSERT INTO database_lock(resource, description) VALUES (1, 'lock');

当需要释放锁的时,可以删除这条数据:

DELETE FROM database_lock WHERE resource=1;

基于悲观锁

悲观锁实现思路

  1. 在对任意记录进行修改前,先尝试为该记录加上排他锁(exclusive locking)。

  2. 如果加锁失败,说明该记录正在被修改,那么当前查询可能要等待或者抛出异常。 具体响应方式由开发者根据实际需要决定。

  3. 如果成功加锁,那么就可以对记录做修改,事务完成后就会解锁了。

  4. 其间如果有其他对该记录做修改或加排他锁的操作,都会等待我们解锁或直接抛出异常。

以MySQL InnoDB中使用悲观锁为例

要使用悲观锁,我们必须关闭mysql数据库的自动提交属性,因为MySQL默认使用autocommit模式,也就是说,当你执行一个更新操作后,MySQL会立刻将结果进行提交。set autocommit=0;

//0.开始事务
begin;/begin work;/start transaction; (三者选一就可以)
//1.查询出商品信息
select status from t_goods where id=1 for update;
//2.根据商品信息生成订单
insert into t_orders (id,goods_id) values (null,1);
//3.修改商品status为2
update t_goods set status=2;
//4.提交事务
commit;/commit work;

上面的查询语句中,我们使用了select…for update的方式,这样就通过开启排他锁的方式实现了悲观锁。此时在t_goods表中,id为1的 那条数据就被我们锁定了,其它的事务必须等本次事务提交之后才能执行。这样我们可以保证当前的数据不会被其它事务修改。

上面我们提到,使用select…for update会把数据给锁住,不过我们需要注意一些锁的级别,MySQL InnoDB默认行级锁。行级锁都是基于索引的,如果一条SQL语句用不到索引是不会使用行级锁的,会使用表级锁把整张表锁住,这点需要注意。

基于乐观锁

乐观并发控制(又名“乐观锁”,Optimistic Concurrency Control,缩写“OCC”)是一种并发控制的方法。它假设多用户并发的事务在处理时不会彼此互相影响,各事务能够在不产生锁的情况下处理各自影响的那部分数据。在提交数据更新之前,每个事务会先检查在该事务读取数据后,有没有其他事务又修改了该数据。如果其他事务有更新的话,正在提交的事务会进行回滚。

以使用版本号实现乐观锁为例?

使用版本号时,可以在数据初始化时指定一个版本号,每次对数据的更新操作都对版本号执行+1操作。并判断当前版本号是不是该数据的最新的版本号。

1.查询出商品信息
select (status,status,version) from t_goods where id={id}
2.根据商品信息生成订单
3.修改商品status为2
update t_goods 
set status=2,version=version+1
where id={id} and version={version};

需要注意的是,乐观锁机制往往基于系统中数据存储逻辑,因此也具备一定的局限性。由于乐观锁机制是在我们的系统中实现的,对于来自外部系统的用户数据更新操作不受我们系统的控制,因此可能会造成脏数据被更新到数据库中。在系统设计阶段,我们应该充分考虑到这些情况,并进行相应的调整(如将乐观锁策略在数据库存储过程中实现,对外只开放基于此存储过程的数据更新途径,而不是将数据库表直接对外公开)。

  • 缺陷

对数据库依赖,开销问题,行锁变表锁问题,无法解决数据库单点和可重入的问题。


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