从构建分布式秒杀系统聊聊分布式锁

叁歲伎倆 2022-05-17 03:18 226阅读 0赞

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## 前言 ##

最近懒成一坨屎，学不动系列一波接一波，大多还都是底层原理相关的。上周末抽时间重读了周志明大湿的 JVM 高效并发部分，每读一遍都有不同的感悟。路漫漫，借此，把前段时间搞着玩的秒杀案例中的分布式锁深入了解一下。

## 案例介绍 ##

在尝试了解分布式锁之前，大家可以想象一下，什么场景下会使用分布式锁？

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单机应用架构中，秒杀案例使用ReentrantLcok或者synchronized来达到秒杀商品互斥的目的。然而在分布式系统中，会存在多台机器并行去实现同一个功能。也就是说，在多进程中，如果还使用以上JDK提供的进程锁，来并发访问数据库资源就可能会出现商品超卖的情况。因此，需要我们来实现自己的分布式锁。

实现一个分布式锁应该具备的特性：

*  高可用、高性能的获取锁与释放锁
 *  在分布式系统环境下，一个方法或者变量同一时间只能被一个线程操作
 *  具备锁失效机制，网络中断或宕机无法释放锁时，锁必须被删除，防止死锁
 *  具备阻塞锁特性，即没有获取到锁，则继续等待获取锁
 *  具备非阻塞锁特性，即没有获取到锁，则直接返回获取锁失败
 *  具备可重入特性，一个线程中可以多次获取同一把锁，比如一个线程在执行一个带锁的方法，该方法中又调用了另一个需要相同锁的方法，则该线程可以直接执行调用的方法，而无需重新获得锁

在之前的秒杀案例中，我们曾介绍过关于分布式锁几种实现方式：

*  基于数据库实现分布式锁
 *  基于 Redis 实现分布式锁
 *  基于 Zookeeper 实现分布式锁

前两种对于分布式生产环境来说并不是特别推荐，高并发下数据库锁性能太差，Redis在锁时间限制和缓存一致性存在一定问题。这里我们重点介绍一下 Zookeeper 如何实现分布式锁。

## 实现原理 ##

ZooKeeper是一个分布式的，开放源码的分布式应用程序协调服务，它内部是一个分层的文件系统目录树结构，规定同一个目录下只能存在唯一文件名。

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#### 数据模型 ####

*  PERSISTENT 持久化节点，节点创建后，不会因为会话失效而消失
 *  EPHEMERAL 临时节点， 客户端session超时此类节点就会被自动删除
 *  EPHEMERAL\_SEQUENTIAL 临时自动编号节点
 *  PERSISTENT\_SEQUENTIAL 顺序自动编号持久化节点，这种节点会根据当前已存在的节点数自动加 1

#### 监视器（watcher） ####

当创建一个节点时，可以注册一个该节点的监视器，当节点状态发生改变时，watch被触发时，ZooKeeper将会向客户端发送且仅发送一条通知，因为watch只能被触发一次。

根据zookeeper的这些特性，我们来看看如何利用这些特性来实现分布式锁：

*  创建一个锁目录lock
 *  线程A获取锁会在lock目录下，创建临时顺序节点
 *  获取锁目录下所有的子节点，然后获取比自己小的兄弟节点，如果不存在，则说明当前线程顺序号最小，获得锁
 *  线程B创建临时节点并获取所有兄弟节点，判断自己不是最小节点，设置监听(watcher)比自己次小的节点（只关注比自己次小的节点是为了防止发生“羊群效应”）
 *  线程A处理完，删除自己的节点，线程B监听到变更事件，判断自己是最小的节点，获得锁

## 代码分析 ##

尽管ZooKeeper已经封装好复杂易出错的关键服务，将简单易用的接口和性能高效、功能稳定的系统提供给用户。但是如果让一个普通开发者去手撸一个分布式锁还是比较困难的，在秒杀案例中我们直接使用 Apache 开源的curator 开实现 Zookeeper 分布式锁。

这里我们使用以下版本，截止目前最新版4.0.1：

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首先，我们看下InterProcessLock接口中的几个方法：

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#### 获取锁： ####

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Zookeeper获取锁实现：

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#### 释放锁： ####

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## 测试案例 ##

为了更好的理解其原理和代码分析中获取锁的过程，这里我们实现一个简单的Demo：

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这里我们开启5个线程，每个线程获取锁的最大等待时间为5秒，为了模拟具体业务场景，方法中设置4秒等待时间。开始执行main方法，通过ZooInspector监控/curator/lock下的节点如下图：

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对，没错，设置4秒的业务处理时长就是为了观察生成了几个顺序节点。果然如案例中所述，每个线程都会生成一个节点并且还是有序的。

观察控制台，我们会发现只有两个线程获取锁成功，另外三个线程超时获取锁失败会自动删除节点。线程执行完毕我们刷新一下/curator/lock节点，发现刚才创建的五个子节点已经不存在了。

## 小结 ##

通过分析第三方开源工具实现的分布式锁方式，收获还是满满的。学习本身就是一个由浅入深的过程，从如何调用API，到理解其代码逻辑实现，想要更深入可以去挖掘Zookeeper的核心算法ZAB协议。

最后为了方便大家学习，总结了学习过程中遇到的几个关键词：重入锁、自旋锁、有序节点、阻塞、非阻塞、监听，希望对大家有所帮助。

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