专栏首页程序员小灰什么是 “分布式锁” ?

什么是 “分布式锁” ?

说说分布式锁吧?

对于一个单机的系统,我们可以通过synchronized或者ReentrantLock等这些常规的加锁方式来实现,然而对于一个分布式集群的系统而言,单纯的本地锁已经无法解决问题,所以就需要用到分布式锁了,通常我们都会引入三方组件或者服务来解决这个问题,比如数据库、Redis、Zookeeper等。

通常来说,分布式锁要保证互斥性、不死锁、可重入等特点。

互斥性指的是对于同一个资源,任意时刻,都只有一个客户端能持有锁。

不死锁指的是必须要有锁超时这种机制,保证在出现问题的时候释放锁,不会出现死锁的问题。

可重入指的是对于同一个线程,可以多次重复加锁。

那你分别说说使用数据库、Redis和Zookeeper的实现原理?

数据库的话可以使用乐观锁或者悲观锁的实现方式。

乐观锁通常就是数据库中我们会有一个版本号,更新数据的时候通过版本号来更新,这样的话效率会比较高,悲观锁则是通过for update的方式,但是会带来很多问题,因为他是一个行级锁,高并发的情况下可能会导致死锁、客户端连接超时等问题,一般不推荐使用这种方式。

Redis是通过set命令来实现,在2.6.2版本之前,实现方式可能是这样:

setNX命令代表当key不存在时返回成功,否则返回失败。

但是这种实现方式把加锁和设置过期时间的步骤分成两步,他们并不是原子操作,如果加锁成功之后程序崩溃、服务宕机等异常情况,导致没有设置过期时间,那么就会导致死锁的问题,其他线程永远都无法获取这个锁。

之后的版本中,Redis提供了原生的set命令,相当于两命令合二为一,不存在原子性的问题,当然也可以通过lua脚本来解决。

set命令如下格式:

key 为分布式锁的key value 为分布式锁的值,一般为不同的客户端设置不同的值 NX 代表如果要设置的key已存在,则取消设置 EX 代表过期时间为秒,PX则为毫秒,比如上面示例中为10秒过期

Zookeeper是通过创建临时顺序节点的方式来实现。

  1. 当需要对资源进行加锁时,实际上就是在父节点之下创建一个临时顺序节点。
  2. 客户端A来对资源加锁,首先判断当前创建的节点是否为最小节点,如果是,那么加锁成功,后续加锁线程阻塞等待
  3. 此时,客户端B也来尝试加锁,由于客户端A已经加锁成功,所以客户端B发现自己的节点并不是最小节点,就会去取到上一个节点,并且对上一节点注册监听
  4. 当客户端A操作完成,释放锁的操作就是删除这个节点,这样就可以触发监听事件,客户端B就会得到通知,同样,客户端B判断自己是否为最小节点,如果是,那么则加锁成功

你说改为set命令之后就解决了问题?那么还会不会有其他的问题呢?

虽然set解决了原子性的问题,但是还是会存在两个问题。

锁超时问题

比如客户端A加锁同时设置超时时间是3秒,结果3s之后程序逻辑还没有执行完成,锁已经释放。客户端B此时也来尝试加锁,那么客户端B也会加锁成功。

这样的话,就导致了并发的问题,如果代码幂等性没有处理好,就会导致问题产生。

锁误删除

还是类似的问题,客户端A加锁同时设置超时时间3秒,结果3s之后程序逻辑还没有执行完成,锁已经释放。客户端B此时也来尝试加锁,这时客户端A代码执行完成,执行释放锁,结果释放了客户端B的锁。

那上面两个问题你有什么好的解决方案吗?

锁超时

这个有两个解决方案。

  1. 针对锁超时的问题,我们可以根据平时业务执行时间做大致的评估,然后根据评估的时间设置一个较为合理的超时时间,这样能一大部分程度上避免问题。
  2. 自动续租,通过其他的线程为将要过期的锁延长持有时间

锁误删除

每个客户端的锁只能自己解锁,一般我们可以在使用set命令的时候生成随机的value,解锁使用lua脚本判断当前锁是否自己持有的,是自己的锁才能释放。

#加锁
SET key random_value NX EX 10
#解锁
if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
    return redis.call("del",KEYS[1])
else
    return 0
end

了解RedLock算法吗?

因为在Redis的主从架构下,主从同步是异步的,如果在Master节点加锁成功后,指令还没有同步到Slave节点,此时Master挂掉,Slave被提升为Master,新的Master上并没有锁的数据,其他的客户端仍然可以加锁成功。

对于这种问题,Redis作者提出了RedLock红锁的概念。

RedLock的理念下需要至少2个Master节点,多个Master节点之间完全互相独立,彼此之间不存在主从同步和数据复制。

主要步骤如下:

  1. 获取当前Unix时间
  2. 按照顺序依次尝试从多个节点锁,如果获取锁的时间小于超时时间,并且超过半数的节点获取成功,那么加锁成功。这样做的目的就是为了避免某些节点已经宕机的情况下,客户端还在一直等待响应结果。举个例子,假设现在有5个节点,过期时间=100ms,第一个节点获取锁花费10ms,第二个节点花费20ms,第三个节点花费30ms,那么最后锁的过期时间就是100-(10+20+30),这样就是加锁成功,反之如果最后时间<0,那么加锁失败
  3. 如果加锁失败,那么要释放所有节点上的锁

那么RedLock有什么问题吗?

其实RedLock存在不少问题,所以现在其实一般不推荐使用这种方式,而是推荐使用Redission的方案,他的问题主要如下几点。

性能、资源

因为需要对多个节点分别加锁和解锁,而一般分布式锁的应用场景都是在高并发的情况下,所以耗时较长,对性能有一定的影响。此外因为需要多个节点,使用的资源也比较多,简单来说就是费钱。

节点崩溃重启

比如有1~5号五个节点,并且没有开启持久化,客户端A在1,2,3号节点加锁成功,此时3号节点崩溃宕机后发生重启,就丢失了加锁信息,客户端B在3,4,5号节点加锁成功。

那么,两个客户端A\B同时获取到了同一个锁,问题产生了,怎么解决?

  1. Redis作者建议的方式就是延时重启,比如3号节点宕机之后不要立刻重启,而是等待一段时间后再重启,这个时间必须大于锁的有效时间,也就是锁失效后再重启,这种人为干预的措施真正实施起来就比较困难了
  2. 第二个方案那么就是开启持久化,但是这样对性能又造成了影响。比如如果开启AOF默认每秒一次刷盘,那么最多丢失一秒的数据,如果想完全不丢失的话就对性能造成较大的影响。

GC、网络延迟

对于RedLock,Martin Kleppmann提出了很多质疑,我就只举这样一个GC或者网络导致的例子。(这个问题比较多,我就不一一举例了,心里有一个概念就行了,文章地址:https://martin.kleppmann.com/2016/02/08/how-to-do-distributed-locking.html

从图中我们可以看出,client1线获取到锁,然后发生GC停顿,超过了锁的有效时间导致锁被释放,然后锁被client2拿到,然后两个客户端同时拿到锁在写数据,问题产生。

图片来自Martin Kleppmann

时钟跳跃

同样的例子,假设发生网络分区,4、5号节点变为一个独立的子网,3号节点发生始终跳跃(不管人为操作还是同步导致)导致锁过期,这时候另外的客户端就可以从3、4、5号节点加锁成功,问题又发生了。

那你说说有什么好的解决方案吗?

上面也提到了,其实比较好的方式是使用Redission,它是一个开源的Java版本的Redis客户端,无论单机、哨兵、集群环境都能支持,另外还很好地解决了锁超时、公平非公平锁、可重入等问题,也实现了RedLock,同时也是官方推荐的客户端版本。

那么Redission实现原理呢?

加锁、可重入

首先,加锁和解锁都是通过lua脚本去实现的,这样做的好处是为了兼容老版本的redis同时保证原子性。

KEYS[1]为锁的key,ARGV[2]为锁的value,格式为uuid+线程ID,ARGV[1]为过期时间。

主要的加锁逻辑也比较容易看懂,如果key不存在,通过hash的方式保存,同时设置过期时间,反之如果存在就是+1。

对应的就是hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1这段命令,对hash结构的锁重入次数+1。

解锁

  1. 如果key都不存在了,那么就直接返回
  2. 如果key、field不匹配,那么说明不是自己的锁,不能释放,返回空
  3. 释放锁,重入次数-1,如果还大于0那么久刷新过期时间,反之那么久删除锁

watchdog

也叫做看门狗,也就是解决了锁超时导致的问题,实际上就是一个后台线程,默认每隔10秒自动延长锁的过期时间。

默认的时间就是internalLockLeaseTime / 3internalLockLeaseTime默认为30秒。

最后,实际生产中对于不同的场景该如何选择?

首先,如果对于并发不高并且比较简单的场景,通过数据库乐观锁或者唯一主键的形式就能解决大部分的问题。

然后,对于Redis实现的分布式锁来说性能高,自己去实现的话比较麻烦,要解决锁续租、lua脚本、可重入等一系列复杂的问题。

对于单机模式而言,存在单点问题。

对于主从架构或者哨兵模式,故障转移会发生锁丢失的问题,因此产生了红锁,但是红锁的问题也比较多,并不推荐使用,推荐的使用方式是用Redission。

但是,不管选择哪种方式,本身对于Redis来说不是强一致性的,某些极端场景下还是可能会存在问题。

对于Zookeeper的实现方式而言,本身就是保证数据一致性的,可靠性更高,所以不存在Redis的各种故障转移带来的问题,自己实现也比较简单,但是性能相比Redis稍差。

不过,实际中我们当然是有啥用啥,老板说用什么就用什么,我才不管那么多。

本文分享自微信公众号 - 程序员小灰(chengxuyuanxiaohui)

原文出处及转载信息见文内详细说明,如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

原始发表时间:2021-03-11

本文参与腾讯云自媒体分享计划,欢迎正在阅读的你也加入,一起分享。

我来说两句

0 条评论
登录 后参与评论

相关文章

  • 漫画:什么是分布式锁?

    利用Memcached的add命令。此命令是原子性操作,只有在key不存在的情况下,才能add成功,也就意味着线程得到了锁。

    后端技术探索
  • 分布式锁是怎么回事

    之前做微信钱包的项目,许多功能都需要与腾讯微信的前台(App)或后台交互,微信需要一个access_token凭证用于身份验证。

    普通程序员
  • 分布式锁为什么要选择Zookeeper而不是Redis?

    在分布式的应用中,为了防止单点故障,保障高可用,通常会采用主从结构,当主节点挂掉后,从节点可以代替主节点提供服务。

    烂猪皮
  • 什么是分布式账本?

    它们的媒介有黏土、木质计数棍(有火灾风险)、石头、草纸和纸。自从计算机在20世纪80、90年代通用后,手动输入数据的纸质记录就被数字化了。

    维基链WICC
  • 什么是分布式架构?

    在大数据系统中,分布式系统已经成为一个无法避免的组件,如zookeeper已经成为了工业届的标准。所以对于大数据的研究,也必须要研究分布式系统的特点。

    用户5927304
  • 什么是 “分布式事务” ?

    对于分布式事务,相信所有人都应该很了解,为什么会有分布式事务?无论是数据量导致的分库,还是现在微服务盛行的场景都是他出现的原因。

    小灰
  • 什么是分布式系统

    分布式系统是其组件分布在连网的计算机上" 组件之间通过传递消息进行通信和动作协调的系统。该定义引出了分布式系统的下列重要特征:

    看、未来
  • 分布式概念-分布式系统是什么?

    故事从一次内部分享开始,我们每周组织组内分享,会分享一些技术,中间件,研发流程规范或者业务系统架构等内容,在进行了一系列中间件技术分享之后,会发现其中提及一系列...

    春哥大魔王
  • Google的锁,才是分布式锁?

    早年Google的四大基础设施,分别是GFS, MapReduce, BigTable, Chubby, 前三个比较有名,今天来说说最后一个,Chubby。

    架构师之路
  • 什么是集群、分布式、集中式、伪分布式 转

    1. 集中式 将项目等部署到同一台机器上,对机器性能要求比较高,一般会用多台机器备份,否则,如果机器出现死机等状况,整个项目将不能运行。 eg:就好比你要盖...

    wuweixiang
  • 到底什么是分布式系统?

    分布式系统背景 说分布式系统必须要说集中式系统,集中式系统中整个项目就是一个独立的应用,整个应用也就是整个项目,所有的东西都在一个应用里面。 如下图所示 ?...

    Java技术栈
  • 到底什么是分布式系统?

    微服务倡导将复杂的单体应用拆分为若干个功能简单、松耦合的服务,这样可以降低开发难度、增强扩展性、便于敏捷开发。当前被越来越多的开发者推崇,系统微服务化后,一个看...

    kubernetes中文社区
  • 到底什么是集群&分布式

    对于楼主这样工作一年的菜鸟,偶尔会看到一些文章标题带有“分布式”“集群”关键字,然后就懵逼了。最近对这些概念进行了一定的了解,整理了一下思路,在这里分享给各位猿...

    全栈程序员站长
  • 什么是锁?

    说到锁,门闩,密码锁,指纹锁,虹膜识别锁等,在计算机世界中,单机线程没有锁的概念,当有了资源竞争,才有锁的贵爱安出现。表示自己短暂的持有。

    王小明_HIT
  • 一篇读懂什么是缓存穿透击穿雪崩,分布式锁

    来源 | https://juejin.cn/post/69...

    麦洛
  • 什么是分布式系统,如何学习分布式系统

    虽然本人在前面也写过好几篇分布式系统相关的文章,主要包括CAP理论、分布式存储与分布式事务,但对于分布式系统,并没有一个跟清晰的概念。

    田维常
  • 什么是分布式消息中间件?

    此公众号会从消息中间件的一些概念出发,陆续介绍分布式消息中间件的应用领域,涉及的技术等,最后到自己设计和实现一个分布式消息中间件。

    林一
  • 到底什么才是分布式系统?

    如果现在让你阐述一下什么是“分布式系统”,你脑子里第一下跳出来的是什么?我想,此时可以用苏东坡先生的一句诗,来形象地描述大家对分布式系统的认识:

    架构师修行之路
  • web服务器集群集群是什么?分布式是什么?集中式是什么?例子缺点

    概述 集群和分布式都是从集中式进化而来的。分布式和集群会相互合作的,同时的集群和分布式。在这里重点说说集群 集群是什么? 集群能提高单位时间内处理的任务数量,提...

    用户1174983

扫码关注云+社区

领取腾讯云代金券