Redis常見分佈鎖的原理和實現

2022-08-18 14:03:05

前言

Java中的鎖主要包括synchronized鎖和JUC包中的鎖，這些鎖都是針對單個JVM範例上的鎖，對於分散式環境是無效的，那麼基於分散式鎖的如何實現呢？

常見的分散式鎖的實現如下圖：

基於資料庫

悲觀鎖

悲觀鎖（Pessimistic Lock）顧名思義為很悲觀的鎖，每次在拿資料的時候都會上鎖。這樣別人想拿資料就被擋住，直到悲觀鎖被釋放，悲觀鎖中的共用資源每次只給一個執行緒使用，其它執行緒阻塞，用完後再把資源轉讓給其它執行緒，但是在效率方面，處理加鎖的機制會產生額外的開銷，且容易產生死鎖。

實現原理

悲觀並行控制實際上是"先取鎖再存取"的保守策略，為資料處理的安全提供了保證.

具體實現

例如通過悲觀鎖來實現庫存扣減的虛擬碼如下：

// 對於庫存記錄進行行鎖

SELECT *FROM sys_goods s WHERE s.Id='1' FOR UPDATE;

//執行庫存扣減
update sys_stock　s set s.stockQty=s.stockQty-#{number} where s.goodId=1 and s.stockQty>0；

//提交事務,自動釋放悲觀鎖。

樂觀鎖

簡介

樂觀鎖是基於資料版本號(version)的機制來實現的。資料庫表新增"version"欄位, 讀取出資料時，將此版本號讀出，在更新過程中，會對版本號進行比較，如果是一致的，則會成功執行本次操作,且版本號加1，如果版本號不一致，則會更新失敗。

實現原理

相對悲觀鎖，樂觀鎖的實現不會使用到資料庫的鎖機制，樂觀鎖的原理使用的CAS的機制來實現的，CAS(Compare-and-Swap)即比較並替換.

1、比較：讀取到了一個值A，在將其更新為B之前，檢查原值是否仍為A(未被其他執行緒改動).
2、設定：如果是未傳送變化，則將A更新為B結束。如果發生變化，則什麼都不做。

具體實現

例如樂觀鎖來實現庫存扣減的虛擬碼如下：

// 查詢庫存記錄，獲取版本號
SELECT stockQty,version FROM sys_goods s WHERE s.Id='1'

//執行庫存扣減，防止出現超賣
update sys_stock　s set 
  s.stockQty=s.stockQty-#{number},
  s.version=version+1
  where s.goodId=1 and s.stockQty>0 and version=#{version};

Redis實現分散式鎖

關於Redis分散式鎖的實現，已經在前期的文章中進行了講解，大家可以參考如下文章

Spring Boot 實現Redis分散式鎖原理

Spring Boot 整合Redisson實現分散式鎖詳細案例

Zooker實現分散式鎖

Zookper實現分散式鎖，主要是應用zookeeper節點的臨時和有序性來實現。

加鎖過程

當用戶端1請求時，Zookeeper使用者端會建立一個持久節點Locks節點，如果使用者端1想獲取鎖,會在locks節點下建立臨時節點/node_000000，如果查詢Locks下面所有臨時有序子節點，當自己為最小的節點是則獲取鎖成功。

當用戶端2嘗試獲取鎖時，也會檢視locks下面的臨時節點，判斷自己的節點/node_000001是不是最小，如果不是最小則獲取鎖失敗，使用者端2會向它排序靠前的節點node_000000註冊watch事件，用來監聽node_000000是否存在，雖然搶鎖失敗，但是node_000001進入等待狀態。

釋放鎖的過程

Zookeeper的使用者端業務完成或者使用者端發生故障，都會刪除臨時節點並且釋放鎖。如果是任務完成，使用者端1還會顯式呼叫刪除node_000000的指令。

例如上述圖，使用者端1斷開，臨時節點node_000000已被刪除，而此時node_000001通過watcher監聽發現自己為為最小的臨時節點，所以獲取鎖成功。

異常場景分析

使用者端1建立臨時節點後，會與Zookeeper伺服器維護一個Session，這個Session會依賴使用者端定時心跳來維持連線。由於網路異常原因，Zookeeper長時間收不到使用者端1的心跳，就認為這個Session過期了，也會把這個臨時節點刪除，此時使用者端2建立臨時節點能夠獲取鎖成功。當用戶端網路恢復正常後，它仍然認為持有鎖，此時就會造成鎖衝突。

具體實現

Zookeeper實現分散式鎖，可以採用Curator實現分散式鎖，關於SpringBoot如何整合Curator，大家可以參考如下文章：

Java Spring Boot 整合Zookeeper

Zookpeer實現分散式鎖實現庫存扣減

 @RequestMapping("/lockStock")
    public void lockStock()
    {
       zooKeeperUtil.lock("/Locks", 1000, TimeUnit.SECONDS, ()->{
           //業務邏輯
       });
    }

小結：

關於分散式鎖的實現的對比，詳情請檢視下圖：