分布式锁实现

分布式之分布式锁

1. 分布式锁

为了解决集群中多主机上不同线程之间的同步，需要在分布式系统中有类似于单主机下用于进程/线程同步的锁，也即分布式锁

1.1 基于MySQL

1.1.1 关键点

通过使用innodb提供的行锁来保证互斥性，来作为不同主机上线程的同步

1.1.2 可重入悲观锁实现

1）建表

create table if not exists lock_table(
    `id` int primary key ,
    `resource_name` varchar(10) ,
    `locker` varchar(20),
    `reentrant_cnt` int,
    `create_time` bigint(20),
    `update_time` bigint(20),
    unique key(resource_name))
    ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8;

其中resource_name也即资源的名称，locker代表上锁者，reentrant_cnt代表重入次数

2）上锁

假设client_1对资源a上锁，流程如下

select * from lock_table where resource_name = 'a' for update;

这里先检查是否存在a记录，如果

存在

比较记录中的locker是否是client_1的ip，如果
- 不是
  
  等待一段时间后，重新尝试读取
- 是
  
  update lock_table set reentrant_cnt = reentrant_cnt+1 where resource_name = 'a';
不存在

insert into lock_table(resource_name,locker,reentrant_cnt) value('a','ip:port',1);

3）解锁

假设client_1对资源a解锁，流程如下

select * from lock_table where resource_name = 'a' for update;

这里先检查是否存在a记录，这里查到是自己的记录，如果cnt的值

为1

delete from lock_table where resource_name = 'a'
大于1

update lock_table set reentrant_cnt = reentrant_cnt-1 where resource_name = 'a';

1.1.3 优劣

优
- 容易实现
- 只使用mysql就可以完成
劣
- 锁超时
  
  需要手动管理锁的超时
- 性能差
  
  需要开启事务来处理，并发量受限于MySQL的最大连接数

1.2 基于 zookeeper

1.2.1 关键点

使用zookeeper的watch机制来满足互斥性

1）watch机制定义

类比于观察者模式，支持如下监听事件

NodeCreated 节点创建：exits()
NodeDataChanged 节点数据改变：exits()、getData()
NodeDeleted 节点删除：exits()、getData() 、getChildren()
NodeChildrenChanged 子节点改变：getChildren()

后面的方法均为读操作，可以指定标志位代表是否开启监听，对应于命令为加入-w参数get -w /root/...

2）watch机制使用流程

客户端注册监听事件及回调函数到客户端的watchManager
发起开启监听的读操作，假设调用getData()
服务端zookeeper注册该watch事件
当对应的节点数据改变、删除时，zookeeper内的事件被消耗，告知所有监听此节点的客户端
watchManager触发对应事件的回调函数

1.2.2 可重入悲观锁实现

1）上锁

假设client_1想要对资源resource_1上锁，流程如下

创建如下的树结构

/root  ----> /locks  ----> resource_1 
	  |             |                
	  |             |                 
	   ----> ...     ----> resource_2
	  |
	  |
	 ...

client_1在resource_1下创建节点，假设为
- 加读锁
  
  则创建为ip1_port1_readlock_reentrantcnt_lockcnt,reentrantcnt代表重入次数，lock_cnt代表resource_1被上的读锁次数，最后的序号为zookeeper给出的，之后，client_1调用getChildren查出resource_1的所有子节点，如果
  - 之前没有写锁，只有读锁且序号(lock_cnt)小于自己或没有读锁，则上锁成功
  - 否则，上锁失败，对上一个写请求的节点注册watch
- 加写锁，则创建为ip1_port1_writelock_reentrantcnt_lockcnt,reentrantcnt代表重入次数，lock_cnt代表resource_1被上的读锁次数，最后的序号为zookeeper给出的，之后，client_1调用getChildren查出resource_1的所有子节点，如果
  - 之前没有任何锁或均为自己的上锁记录，则上锁成功
  - 否则，上锁失败，对上一个节点注册watch

当注册的监听事件触发时，就代表上锁成功

上过锁的示例图如下

/root  ----> /locks  ----> resource_1 ----> /ip1_port1_readlock_reentrantcnt_lockcnt-000000
	  |             |                |
	  |             |                 ----> /ip2_port2_writelock_reentrantcnt_lockcnt-000001
	   ----> ...     ----> resource_2
	  |
	  |
	 ...

2）解锁

只需要删除对应路径下的节点即可

1.1.3 优劣

优
- 容易实现
- 创建节点时均为临时节点，当会话超时节点会被删除
- 由于cp特性，可以保证集群内强一致性
劣
- 集群压力
  
  集群应对不了过大的客户端并发连接数
- 性能差
  
  相较于基于缓存的分布式锁，性能较差

1.3 基于Redis

1.3.1 关键点

通过利用redis的缓存特性，主要为存取快及支持过期机制，来实现分布式锁

1.3.2 悲观锁实现

1）上锁

假设client_1想要对资源a上锁，流程如下

调用setnx a ip:port，如果
- 失败
  
  则a已经被占用
- 成功则上锁完成
调用expire a timeout来设定锁的过期时间

2）解锁

判断a是否存在，有可能时间过长已经过期
如果存在，del a

1.3.3 改进

上面方案存在如下问题

原子性

如果setnx和expire没有一次执行完，或者expire没有执行成功，此时client挂掉，则不会执行del，这样就产生了死锁
可重入

上面方案只可以标记是否占用，不可以标记重入次数
阻塞

如果set失败，则需要客户端周期性尝试
过期时间过短

假设client_1对a上锁后，执行了很长时间，超过了a的过期时间，且client_2在过期时间后，就可以成功对a上锁，之后client_1执行结束，就会释放掉不属于自己的锁