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什么是分布式锁

时间:2024-01-13 13:34:40浏览次数:33  
标签:释放 缓存 什么 Redis 线程 节点 分布式


想象一下,如果没有分布式锁,多个分布式节点同时涌入一个共享资源的访问时,就像一群饥肠辘辘的狼汇聚在一块肉前,谁都想咬一口,最后弄得肉丢了个精光,大家都吃不上。

什么是分布式锁_Redis

而有了分布式锁,就像给这块肉上了道坚固的城墙,只有一只狼能够穿越,享受美味。

那它具体是怎么做的呢?这篇文章中,小❤将带大家一起了解分布式锁是如何解决分布式系统中的并发问题的。

什么是分布式锁?

在分布式系统中,分布式锁是一种机制,用于协调多个节点上的并发访问共享资源。

这个共享资源可以是数据库、文件、缓存或任何需要互斥访问的数据或资源。分布式锁确保了在任何给定时刻只有一个节点能够对资源进行操作,从而保持了数据的一致性和可靠性。

为什么要使用分布式锁?

数据一致性

在分布式环境中,多个节点同时访问共享资源可能导致数据不一致的问题。分布式锁可以防止这种情况发生,确保数据的一致性。

防止竞争条件

多个节点并发访问共享资源时可能出现竞争条件,这会导致不可预测的结果。分布式锁可以有效地防止竞争条件,确保操作按照预期顺序执行。

限制资源的访问

有些资源可能需要限制同时访问的数量,以避免过载或资源浪费。分布式锁可以帮助控制资源的访问。

分布式锁要解决的问题

分布式锁的核心问题是如何在多个节点之间协调,以确保只有一个节点可以获得锁,而其他节点必须等待。这涉及到以下关键问题:

互斥性

只有一个节点能够获得锁,其他节点必须等待。这确保了资源的互斥访问。

可重入性

指的是在同一线程内,外层函数获得锁之后,内层递归函数仍然可以获取到该锁。

说白了就是同一个线程再次进入同样代码时,可以再次拿到该锁。它的作用是:防止在同一线程中多次获取锁产生竞性条件而导致死锁发生。

超时释放

确保即使节点在业务过程中发生故障,锁也会被超时释放,既能防止不必要的线程等待和资源浪费,也能避免死锁。

分布式锁的实现方式

在分布式系统中,有多种方式可以实现分布式锁,就像是锁的品种不同,每种锁都有自己的特点。

有基于数据库的锁,就像是厨师们用餐具把菜肴锁在柜子里,每个人都得排队去取。

还有基于 ZooKeeper 的锁,它像是整个餐厅的门卫,只允许一个人进去,其他人只能在门口等。

最后,还有基于缓存的锁,就像是一位服务员用号码牌帮你占座,先到先得。

基于数据库的分布式锁

使用数据库表中的一行记录作为锁,通过事务来获取和释放锁。

例如,使用 MySQL 来实现事务锁。首先创建一张简单表,在某一个字段上创建唯一索引(保证多个请求新增字段时,只有一个请求可成功)。

CREATE TABLE `user` (  
  `id` bigint(20) NOT NULL AUTO_INCREMENT,  
  `name` varchar(255) DEFAULT NULL,  
  PRIMARY KEY (`id`),  
  UNIQUE KEY `name` (`name`) USING BTREE
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=0 DEFAULT CHARSET=utf8mb4

当需要获取分布式锁时,执行以下语句:

INSERT INTO `user` (name) VALUES ('unique_key')

由于 name 字段上加了唯一索引,所以当多个请求提交 insert 语句时,只有一个请求可成功。

使用 MySQL 实现分布式锁的优点是可靠性高,但性能较差,而且这把锁是非重入的,同一个线程在没有释放锁之前无法获得该锁。

基于ZooKeeper的分布式锁

Zookeeper(简称 zk)是一个为分布式应用提供一致性服务的中间组件,其内部是一个分层的文件系统目录树结构。

zk 规定其某一个目录下只能有唯一的一个文件名,其分布式锁的实现方式如下:

  1. 创建一个锁目录(ZNode):首先,在 zk 中创建一个专门用于存储锁的目录,通常称为锁根节点。这个目录将包含所有获取锁的请求以及用于锁协调的节点。
  2. 获取锁:当一个节点想要获取锁时,它会在锁目录下创建一个临时顺序节点(Ephemeral Sequential Node)。zk 会为每个节点分配一个唯一的序列号,并根据序列号的大小来确定锁的获取顺序。
  3. 查看是否获得锁:节点在创建临时顺序节点后,需要检查自己的节点是否是锁目录中序列号最小的节点。如果是,表示节点获得了锁;如果不是,则节点需要监听比它序列号小的节点的删除事件。
  4. 监听锁释放:如果一个节点没有获得锁,它会设置一个监听器来监视比它序列号小的节点的删除事件。一旦前一个节点(序列号小的节点)释放了锁,zk 会通知等待的节点。
  5. 释放锁:当一个节点完成了对共享资源的操作后,它会删除自己创建的临时节点,这将触发 zk 通知等待的节点。

zk 分布式锁提供了良好的一致性和可用性,但部署和维护较为复杂,需要仔细处理各种边界情况,例如节点的创建、删除、网络分区等。

而且 zk 实现分布式锁的性能不太好,主要是获取和释放锁都需要在集群的 Leader 节点上执行,同步较慢。

基于缓存的分布式锁

使用分布式缓存,如 Redis 或 Memcached,来存储锁信息,缓存方式性能较高,但需要处理分布式缓存的高可用性和一致性。

接下来,我们详细讨论一下在 Redis 中如何设计一个高可用的分布式锁以及可能会遇到的几个问题,包括:死锁问题、锁提前释放、锁被其它线程误删、高可用问题

1. 死锁问题

早期版本的 redis 没有 setnx 命令在写 key 时直接设置超时参数,需要用 expire 命令单独对锁设置过期时间,这可能会导致死锁问题。

比如,设置锁的过期时间执行失败了,导致后来的抢锁都会失败。

Lua脚本或SETNX

为了保证原子性,我们可以使用 Lua 脚本,保证SETNX + EXPIRE两条指令的原子性,我们还可以巧用Redis 的 SET 指令扩展参数:SET key value[EX seconds][PX milliseconds][NX|XX],它也是原子性的。

SET key value [EX seconds] [PX milliseconds] [NX|XX]
  • NX:表示 key 不存在的时候,才能 set 成功,即保证只有第一个客户端请求才能获得锁,而其他客户端请求只能等待锁释放后,才能获取
  • EX seconds :设定 key 的过期时间,默认单位时间为秒
  • PX milliseconds: 设定 key 的过期时间,默认单位时间为毫秒
  • XX: 仅当 key 存在时设置值

2. 锁提前释放

上述方案解决了加锁过期的原子性问题,不会产生死锁,但还是可能存在锁提前释放的问题。

如图所示,假设我们设置锁的过期时间为 5 秒,而业务执行需要 10 秒。

什么是分布式锁_分布式_02

在线程 1 执行业务的过程中,它的锁被过期释放了,这时线程 2 是可以拿到锁的,也开始访问公共资源。

很明显,这种情况下导致了公共资源没有被严格串行访问,破坏了分布式锁的互斥性。

这时,有爱动脑瓜子的小伙伴可能认为,既然加锁时间太短,那我们把锁的过期时间设置得长一些不就可以了吗?

其实不然,首先我们没法提前准确知道一个业务执行的具体时间。其次,公共资源的访问时间大概率是动态变化的,时间设置得过长也不好。

Redisson框架

所以,我们不妨给加锁线程一个自动续期的功能,即每隔一段时间检查锁是否还存在,如果存在就延长锁的时间,防止锁过期提前释放。

这个功能需要用到守护线程,当前已经有开源框架帮我们解决了,它就是——Redisson,它的实现原理如图所示:

什么是分布式锁_缓存_03

当线程 1 加锁成功后,就会启动一个 Watch dog 看门狗,它是一个后台线程,每隔 1 秒(可配置)检查业务是否还持有锁,以达到线程未主动释放锁,自动续期的效果。

3. 锁被其它线程误删

除了锁提前释放,我们可能还会遇到锁被其它线程误删的问题。

什么是分布式锁_缓存_04

如图所示,加锁线程 1 执行完业务后,去释放锁。但线程 1 自己的锁已经释放了,此时分布式锁是由线程 2 持有的,就会误删线程 2 的锁,但线程 2 的业务可能还没执行完毕,导致异常产生。

唯一 Value 值

要想解决锁被误删的问题,我们需要给每个线程的锁加一个唯一标识。

比如,在加锁时将 Value 设置为线程对应服务器的 IP,在删除锁的时候判断一下 Value 是否为当前实例的 IP,就可以避免误删除其它线程锁的问题了。为了保证严格的原子性,可以用 Lua 脚本。

4. Redlock高可用锁

前面几种方案都是基于单机版考虑,而实际业务中 Redis 一般都是集群部署的,所以我们接下来讨论一下 Redis 分布式锁的高可用问题。

试想一下,如果线程 1 在 Redis 的 master 主节点上拿到了锁,但是还没同步到 slave 从节点。

这时,如果主节点发生故障,从节点升级为主节点,其它线程就可以重新获取这个锁,此时可能有多个线程拿到同一个锁。即,分布式锁的互斥性遭到了破坏。

为了解决这个问题,Redis 的作者提出了专门支持分布式锁的算法:Redis Distributed Lock,简称 Redlock,其核心思想类似于注册中心的选举机制。

什么是分布式锁_缓存_05

Redis 集群内部署多个 master 主节点,它们相互独立,即每个主节点之间不存在数据同步。

且节点数为单数个,每次当客户端抢锁时,需要从这几个 master 节点去申请锁,当从一半以上的节点上获取成功时,锁才算获取成功。

优缺点和常用实现方式

以上是业界常用的三种分布式锁实现方式,它们各自的优缺点如下:

  • 基于数据库的分布式锁:可靠性高,但性能较差,不适合高并发场景。
  • 基于ZooKeeper的分布式锁:提供良好的一致性和可用性,适合复杂的分布式场景,但部署和维护复杂,且性能比不上缓存的方式。
  • 基于缓存的分布式锁:性能较高,适合大部分场景,但需要处理缓存的高可用性。

其中,业界常用的分布式锁实现方式通常是基于缓存的方式,如使用 Redis 实现分布式锁。这是因为 Redis 性能优秀,而且可以满足大多数应用场景的需求。

参考:微信公众号

标签:释放,缓存,什么,Redis,线程,节点,分布式
From: https://blog.51cto.com/u_15856116/9232010

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