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JAVA面试题之一—如何实现锁?如何实现分布式锁?

2020-07-22

锁的几种实现方式,以及分布式锁的实现。

为什么需要分布式锁?

答:悲观锁、乐观锁、可重入锁、共享锁和独占锁等内容,它们都属于单机锁也就是程序级别的锁,如果在分布式环境下使用就会出现锁不生效的问题,因此我们需要使用分布式锁来解决这个问题。

分布式锁是控制分布式系统之间同步访问共享资源的一种方式。是为了解决分布式系统中,不同的系统或是同一个系统的不同主机共享同一个资源的问题,它通常会采用互斥来保证程序的一致性,这就是分布式锁的用途以及执行原理。

分布式锁的常见实现方式有四种:

  • 基于 MySQL 的悲观锁来实现分布式锁,这种方式使用的最少,因为这种实现方式的性能不好,且容易造成死锁;
  • 基于 Memcached 实现分布式锁,可使用 add 方法来实现,如果添加成功了则表示分布式锁创建成功;
  • 基于 Redis 实现分布式锁,这也是本课时要介绍的重点,可以使用 setnx 方法来实现;
  • 基于 ZooKeeper 实现分布式锁,利用 ZooKeeper 顺序临时节点来实现。

为什么redis实现分布式锁最普遍?

  • 由于 MySQL 的执行效率问题和死锁问题,所以这种实现方式会被我们先排除掉
  • 而 Memcached 和 Redis 的实现方式比较类似,但因为 Redis 技术比较普及,所以会优先使用 Redis 来实现分布式锁.
  • ZooKeeper 确实可以很好的实现分布式锁。但此技术在中小型公司的普及率不高,尤其是非 Java 技术栈的公司使用的较少,如果只是为了实现分布式锁而重新搭建一套 ZooKeeper 集群,显然实现成本和维护成本太高.

所以综合以上因素,我们本文会采用 Redis 来实现分布式锁。

单机锁

程序中使用的锁叫单机锁,我们日常中所说的“锁”都泛指单机锁,其分类有很多,大体可分为以下几类:

  • 悲观锁,是数据对外界的修改采取保守策略,它认为线程很容易把数据修改掉,因此在整个数据被修改的过程中都会采取锁定状态,直到一个线程使用完,其他线程才可以继续使用,典型应用是 synchronized
  • 乐观锁,和悲观锁的概念恰好相反,乐观锁认为一般情况下数据在修改时不会出现冲突,所以在数据访问之前不会加锁,只是在数据提交更改时,才会对数据进行检测,典型应用是 ReadWriteLock 读写锁;
  • 可重入锁,也叫递归锁,指的是同一个线程在外面的函数获取了锁之后,那么内层的函数也可以继续获得此锁,在 Java 语言中 ReentrantLocksynchronized 都是可重入锁;
  • 独占锁和共享锁,只能被单线程持有的锁叫做独占锁,可以被多线程持有的锁叫共享锁,独占锁指的是在任何时候最多只能有一个线程持有该锁,比如 ReentrantLock 就是独占锁;而 ReadWriteLock 读写锁允许同一时间内有多个线程进行读操作,它就属于共享锁。

redis 实现分布式锁

版本1

127.0.0.1:6379> setnx lock true
(integer) 1 #创建锁成功
#逻辑业务处理...
127.0.0.1:6379> del lock
(integer) 1 #

问题:没有设置超时时间,如果出现问题,没有释放锁,其他线程需要一直等待该锁被释放。

版本2 设置超时时间

127.0.0.1:6379> setnx lock true
(integer) 1 #创建锁成功
127.0.0.1:6379> expire lock 30 #设置锁的(过期)超时时间为 30s
(integer) 1 
#逻辑业务处理...
127.0.0.1:6379> del lock
(integer) 1 #释放锁

问题:不是原子性操作。如果多个线程同时操作的时候,可能会导致设置超时时间没有执行,没有解决版本1的问题。

版本3 redis 2.6.12 版本之后

127.0.0.1:6379> set lock true ex 30 nx
OK #创建锁成功

一条命令完成创建锁和过期时间。

问题:如果时间设置过短,任务没有执行完就释放,可能需要重新获取锁,然后又没执行完就被释放。

版本4

在使用 set 命令创建锁时,给 value 值设置一个归属标识。例如,在 value 中插入一个 UUID,每次在删除之前先要判断 UUID 是不是属于当前的线程,如果属于再删除,这样就避免了锁被误删的问题。

借助 lua 脚本,保证操作的原子性。

/**
 * 释放分布式锁
 * @param jedis Redis客户端
 * @param lockKey 锁的 key
 * @param flagId 锁归属标识
 * @return 是否释放成功
 */
public static boolean unLock(Jedis jedis, String lockKey, String flagId) {
    String script = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
    Object result = jedis.eval(script, Collections.singletonList(lockKey), Collections.singletonList(flagId));
    if ("1L".equals(result)) { // 判断执行结果
        return true;
    }
    return false;
}

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