分布式锁的实现与比较【JDK、Redis、Zookeeper】

目前情况下,分布式锁一般分为基于JDK、Redis、Zookeeper三类,下面简述三种分布式锁的实现方式:

一、JDK的实现方式

思路:另启一个服务,利用jdk并发工具来控制唯一资源,如在服务中维护一个concurrentHashMap,其他服务对某个key请求锁时,通过该服务暴露的端口,以网络通信的方式发送消息,服务端解析这个消息,将concurrentHashMap中的key对应值设为true,分布式锁请求成功,当然你想用java的bio、nio或者整合dubbo、spring cloud feign来实现通信也没问题
缺点:demo中的锁写的非常简单,但是要考虑可用性、可靠性、效率、扩展性的话,编码难度会比较高

二、Redis的实现方式

原理:利用redis的setnx的特性,能够保证同一时间内只有一个请求能够对相同的key执行setnx指令,我们可以理解为只有一个请求能够抢到这个锁,由于redis是单线程的,可以非常简单地实现这个功能。但是这里的锁的概念与我们平时锁理解的有一点区别,如mysql中的互斥锁,行数据被锁定以后,其他任何线程都无法对其进行删改操作,但是redis里只保证setnx的操作有这个特性,其他请求依然可以在key被锁住的情况下,执行del和set等操作,下面是redis分布式锁的各种实现方式和缺点,按照时间的发展排序:

  • 1、直接setnx
    直接利用setnx,执行完业务逻辑后调用del释放锁,简单粗暴
    缺点:如果setnx成功,还没来得及释放,服务挂了,那么这个key永远都不会被获取到
  • 2、setnx设置一个过期时间
    为了改正第一个方法的缺陷,我们用setnx获取锁,然后用expire对其设置一个过期时间,如果服务挂了,过期时间一到自动释放
    缺点:setnx和expire是两个方法,不能保证原子性,如果在setnx之后,还没来得及expire,服务挂了,还是会出现锁不释放的问题
  • 3、set nx px
    redis官方为了解决第二种方式存在的缺点,在2.8版本为set指令添加了扩展参数nx和ex,保证了setnx+expire的原子性,使用方法:
    set key value ex 5 nx
    缺点
    ①如果在过期时间内,事务还没有执行完,锁提前被自动释放,其他的线程还是可以拿到锁
    ②上面所说的那个缺点还会导致当前的线程释放其他线程占有的锁
  • 4、加一个事务id
    上面所说的第一个缺点,没有特别好的解决方法,只能把过期时间尽量设置的长一点,并且最好不要执行耗时任务
    第二个缺点,可以理解为当前线程有可能会释放其他线程的锁,那么问题就转换为保证线程只能释放当前线程持有的锁,即setnx的时候将value设为任务的唯一id,释放的时候先get key比较一下value是否与当前的id相同,是则释放,否则抛异常回滚,其实也是变相地解决了第一个问题
    缺点:get key和将value与id比较是两个步骤,不能保证原子性
  • 5、set nx px + 事务id + lua
    我们可以用lua来写一个getkey并比较的脚本,jedis/luttce/redisson对lua脚本都有很好的支持
    缺点:集群环境下,对master节点申请了分布式锁,由于redis的主从同步是异步进行的,master在内存中写入了nx之后直接返回,客户端获取锁成功,此时master节点挂了,并且数据还没来得及同步,另一个节点被升级为master,这样其他的线程依然可以获取锁
  • 6、redlock
    为了解决上面提到的redis集群中的分布式锁问题,redis的作者antirez的提出了red lock的概念,假设集群中所有的n个master节点完全独立,并且没有主从同步,此时对所有的节点都去setnx,并且设置一个请求过期时间re和锁的过期时间le,同时re必须小于le(可以理解,不然请求3秒才拿到锁,而锁的过期时间只有1秒也太蠢了),此时如果有n / 2 + 1个节点成功拿到锁,此次分布式锁就算申请成功
    缺点:可靠性还没有被广泛验证,并且严重依赖时间,好的分布式系统应该是异步的,并不能以时间为担保,程序暂停、系统延迟等都可能会导致时间错误(网上还有很多人都对这个方法提出了质疑,比如full gc发生的锁的正确性问题,但是antirez都一一作出了解答,感兴趣的同学可以参考一下这位同学的文章

基于Zookeeper实现的分布式锁

  • 1、利用临时节点特性
    zookeeper的临时节点有两个特性,一是节点名称不能重复,二是会随着客户端退出而销毁,因此直接将key作为节点名称,能够成功创建的客户端则获取成功,失败的客户端监听成功的节点的删除事件
    缺点:所有客户端监听同一个节点,但是同时只有一个节点的事件触发是有效的,造成资源的无效调度
  • 2、利用顺序临时节点特性
    zookeeper的顺序临时节点拥有临时节点的特性,同时,在一个父节点下创建创建的子临时顺序节点,会根据节点创建的先后顺序,用一个32位的数字作为后缀,我们可以用key创建一个根节点,然后每次申请锁的时候在其下创建顺序节点,接着获取根节点下所有的顺序节点并排序,获取顺序最小的节点,如果该节点的名称与当前添加的名称相同,则表示能够获取锁,否则监听根节点下面的处于当前节点之前的节点的删除事件,如果监听生效,则回到上一步重新判断顺序,直到获取锁。

总结

  • 基于jdk的并发工具自己实现的锁
    优点:不需要引入中间件,架构简单
    缺点:编写一个可靠、高可用、高效率的分布式锁服务,难度较大
  • redis set px nx + 唯一id + lua脚本
    优点:redis本身的读写性能很高,因此基于redis的分布式锁效率比较高
    缺点:依赖中间件,分布式环境下可能会有节点数据同步问题,可靠性有一定的影响,如果发生则需要人工介入
  • 基于redis的redlock
    优点:可以解决redis集群的同步可用性问题
    缺点:依赖中间件,并没有被广泛验证,维护成本高,需要多个独立的master节点;需要同时对多个节点申请锁,降低了一些效率
  • 基于zookeeper的分布式锁
    优点:不存在redis的超时、数据同步(zookeeper是同步完以后才返回)、主从切换(zookeeper主从切
    换的过程中服务是不可用的)的问题,可靠性很高
    缺点:依赖中间件,保证了可靠性的同时牺牲了一部分效率(但是依然很高)

没有绝对完美的实现方式,具体要选择哪一种分布式锁,需要结合每一种锁的优缺点和业务特点而定。

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