數(shù)據(jù)庫如何實(shí)現(xiàn)分布式鎖

1. 前言

分布式應(yīng)用中，有時(shí)我們需要一個(gè)方法在同一時(shí)間只能被一個(gè)線程執(zhí)行。此時(shí)我們有可能會(huì)使用到分布式鎖。

分布式鎖需要具備以下特征：

• 互斥性 同一時(shí)刻鎖只能被一個(gè)線程持有。
• 超時(shí)釋放 超時(shí)釋放主要是用來避免死鎖，防止不必要的線程等待和資源浪費(fèi)
• 可重入性 一個(gè)線程在持有鎖的情況下，可以再次請(qǐng)求加鎖
• 高性能，高可用 加鎖釋放鎖的操作盡量使用更少的資源，提高性能。同時(shí)也要保證高可用，防止分布式鎖意外失效

目前比較多的分布式鎖有下面的方案：

• 基于數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)分布式鎖
• 基于緩存（redis， Hazelcast）等實(shí)現(xiàn)分布式鎖
• 基于Zookeeper實(shí)現(xiàn)分布式鎖

2. 數(shù)據(jù)庫分布式鎖

2.1基于表記錄的分布式鎖

在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建一個(gè)鎖表，并且在需要的字段上創(chuàng)建唯一索引，使用鎖的時(shí)候就插入數(shù)據(jù)，插入成功則獲得鎖，執(zhí)行結(jié)束后，就刪除數(shù)據(jù)。也可以加上version控制，使之成為樂觀鎖。

• 獲取鎖：成功插入數(shù)據(jù)
• 執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯
• 釋放鎖：刪除數(shù)據(jù)

2.2基于數(shù)據(jù)庫行鎖的分布式鎖

使用select * For update來獲取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)鎖， where之后的條件加入唯一索引，則表示使用了行鎖。其分布式鎖使用順序如下。

• 獲取鎖：SELECT * FROM database_lock WHERE id = 1 FOR UPDATE;。
• 執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯。
• 釋放鎖：COMMIT。

3 Zookeeper分布式鎖

Zookeepe可以實(shí)現(xiàn)分布式鎖主要是因?yàn)槎鄠€(gè)線程去Zookpeeper中創(chuàng)建同一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，只有一個(gè)線程可以創(chuàng)建成功。

Zookeeper中有臨時(shí)節(jié)點(diǎn)，持久化節(jié)點(diǎn)。其中臨時(shí)節(jié)點(diǎn)在服務(wù)端session失效后，節(jié)點(diǎn)就會(huì)被刪除。相對(duì)而言，持久化節(jié)點(diǎn)在服務(wù)端session失效后，也不會(huì)被刪除，而是需要客戶端主動(dòng)刪除。

在上述類型系節(jié)點(diǎn)之后增加一個(gè)數(shù)字后綴，即路徑+數(shù)字后綴，這樣可以保證其唯一性和有序性。

其分布式鎖實(shí)現(xiàn)原理如下：

• 創(chuàng)建一個(gè)lock目錄給分布式鎖使用
• 某個(gè)線程想要獲取鎖就在此目錄下創(chuàng)建臨時(shí)順序節(jié)點(diǎn)
• 獲取此目錄下的所有子節(jié)點(diǎn)，然后查找比自己序號(hào)小的節(jié)點(diǎn)，如果不存在，則當(dāng)前線程創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)是最小節(jié)點(diǎn)，此時(shí)獲得鎖。
• 其他線程想要獲取鎖，同樣是創(chuàng)建臨時(shí)有序節(jié)點(diǎn)，如果是最小序號(hào)節(jié)點(diǎn)則獲得鎖，否則監(jiān)聽比自己小的次小節(jié)點(diǎn)。
• 持有分布式鎖的線程操作完成之后，刪除自己的臨時(shí)節(jié)點(diǎn)，次大節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到變更事件之后，判斷自己是最小序號(hào)節(jié)點(diǎn)的話，則獲得鎖。

Zookeeper實(shí)現(xiàn)分布式鎖具有高可用，可重入，阻塞等特點(diǎn)，由于臨時(shí)節(jié)點(diǎn)在客戶端斷開的時(shí)候就會(huì)被自動(dòng)刪除，所以不用擔(dān)心死鎖問題。但是頻繁刪除和創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，性能上會(huì)比Redis分布式鎖低。

4 Redis分布式鎖

4.1 SETNX

setnx命令只會(huì)在key不存在的情況下將key設(shè)置為value值， 其中key和 value值均可以設(shè)置成和業(yè)務(wù)相關(guān)的的命名。但是不滿足超時(shí)釋放的要求。

如果使用expire設(shè)置過期時(shí)間，也有可能在setnx成功后，由于各種原因，expire沒有執(zhí)行成功，從而導(dǎo)致鎖不能超時(shí)釋放。

4.2 SETNX 擴(kuò)展命令

set key value [EX seconds] [PX milliseconds] [NX|XX]
 #EX 設(shè)置過期時(shí)間，單位為秒  set lock VALUE EX 10
 #PX 設(shè)置過期時(shí)間，單位為毫秒 set lock VALUE PX 10000
 #NX key不存在時(shí)才設(shè)置key的值  set lock VALUE EX 10 NX
 #XX key存在時(shí)才設(shè)置key SET lock VALUE EX 10 XX

set 擴(kuò)展命令可以完全取代 SETNX, SETEX, PSETEX 等功能。

可以使用set擴(kuò)展功能完成設(shè)置過期時(shí)間, 并且是原子操作。

上述分布式鎖也有一些問題：

• 如果線程獲取鎖之后，執(zhí)行時(shí)間過長(zhǎng)，鎖提前釋放。
• 如果線程A未執(zhí)行完操作，鎖超時(shí)釋放，此時(shí)線程B又獲取了鎖。線程B持有鎖，但是A線程有可能執(zhí)行DEL操作釋放鎖。

需要避免在長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行的任務(wù)中使用上述分布式鎖，而且未按時(shí)執(zhí)行完的線程不影響其最終結(jié)果。另外可以在鎖的value設(shè)置一些唯一值，刪除key之前驗(yàn)證是否持有鎖。并且驗(yàn)證和刪除需要使用Lua腳本保證其刪除操作的原子性。

上述分布式鎖還需要解決一個(gè)可重入性的問題。

4.3 Redisson 分布式鎖

Redisson是基于Redis的Java內(nèi)存數(shù)據(jù)網(wǎng)格，充分利用了Redis鍵值數(shù)據(jù)庫提供的一系列優(yōu)勢(shì)。同時(shí)提供功能豐富的分布式鎖。

Resisson內(nèi)部會(huì)有一個(gè)監(jiān)控鎖的守護(hù)線程，在redisson實(shí)例被關(guān)閉前，不斷延長(zhǎng)鎖的有效期。并且可以自定義超時(shí)檢查時(shí)間間隔，同時(shí)還可以指定加鎖時(shí)間。另外還支持公平鎖（Fair Lock），聯(lián)鎖（MultiLock），紅鎖（RedLock）,讀寫鎖（ReadWriteLock）以及RSemaphore和RCountDownLatch等類似Java提供的各種多線程工具等。

其中RedLock是基于多個(gè)Redis集群關(guān)聯(lián)的鎖，可以大大提高鎖的可用性及安全性。