随着網際網路技術的飛速發展，分布式已經成為一個繞不開的話題，分布式環境下，“高并發通路共享資源”的場景并不少見，帶來的問題也顯⽽易見：共享資源在通路前後出現了資料不一緻或非預期結果！
單體時代可以⽤JVM提供的ReentrantLock或者Synchronized解決，分布式環境下，JVM就有點力不不從心了。于是乎，“分布式鎖”便出現了。
一、什麼是分布式鎖？
在計算機科學中，鎖(lock)與互斥(mutex)是一種同步機制，用于在許多線程執行時對資源的限制。
分布式鎖可以了解為，控制分布式系統有序的去對共享資源進行操作，通過互斥來保持一緻性。
1、分布式鎖應具備哪些特性？
分布式鎖是多服務共享鎖，在分布式的部署環境下，通過鎖機制來讓用戶端互斥的對共享資源進行通路，應該具備以下特性。
- 互斥性：同一時間，保證共享資源隻能被一個用戶端的一個線程能通路，具有排他性。
- 防死鎖：鎖在一段時間後，一定會被釋放（正常釋放或異常釋放）。
- 高可用：擷取鎖的機制必須高可用，性能佳。
- 阻塞鎖（可選）：目前資源已被加鎖，其他用戶端或者線程是阻塞等待，還是立即傳回。
- 可重入（可選）：目前鎖的持有者是否能再次進入。
- 公平性（可選）：加鎖的順序和請求加鎖的順序是一緻，還是随機搶鎖。
2、分布式鎖可以解決哪些場景的問題？
分布式鎖就是用來解決高并發通路導緻資料不一緻的問題，這裡列舉幾種常見的場景：
- 多使用者修改資料，造成資料不準确：多個請求對同一條資料同時進行修改，導緻資料不準确。比如“下單減庫存”、“網際網路秒殺”、“搶紅包”、“搶票”、“搶優惠券”、“網際網路選号”、“轉賬”等。
- 多次請求，資料重複：請求結果暫未傳回時，進行多次操作或重試，産生多個相同的請求，不加鎖的情況下成功，會産生很多重複記錄。
- 分布式協調：分布式環境下，多台機器都可以執行任務，每次隻能一台機器執行，也可以用分布式鎖來做标記，隻有擷取到鎖的機器可以執行。
3、分布式鎖有哪些實作方式？
關于鎖，Java提供了種類豐富的鎖，每種鎖因其特性的不同，在适當的場景下能夠展現出非常高的效率。
“分布式鎖”其實是一種解決方案，并非專有元件或者類，實作這一解決方案仍舊需要額外的元件或者中間件來輔助，甚至某些情況下，需要借助資料庫級别的方式來實作。
關于分布式鎖的實作方案，在業界流行的有三種：
- 基于資料庫：借助資料庫鎖實作，實作簡單，性能是最大問題。（不推薦）
- 基于Redis：CAP模型屬于AP，無一緻性算法，速度快。（高性能場景推薦）
- 基于Zookeeper：CAP模型屬于CP，可靠性高，性能比Redis差一些。（高可靠場景推薦）
另外，還有使用etcd、consul來實作的。
到這裡，我們已經對分布式鎖的特點、使用場景、實作方式有了大緻的了解。那麼，一款高性能分布式鎖到底應該如何設計？請繼續往下看。
二、高并發場景下分布式鎖如何設計？
因為Redis出色的性能，在高并發環境中，使用最多的是Redis方案，實作最複雜，最容易出問題的也是Redis方案。
接下來，用Redis來實作一個庫存加分鎖的列子，對分布式鎖的設計原理和思路進行闡述。
- 需求場景：假設庫存有100件商品，通過網際網路秒殺下單，要求搶完的同時不能超賣。
- 分布式模拟：啟用2個服務，來模拟分布式環境，前端用Nginx分發請求。
- 并發工具：使用JMeter并發模拟多個使用者并發請求。
1、無鎖減庫存
我們先來看一下無鎖的情況，下單減庫存會存在什麼問題？具體代碼如下：
并發請求模拟：
- 測試計劃->添加線程組（配置線程屬性）
- 線程組->添加->Sampler ->HTTP請求（配置http請求位址）
- HTTP請求->添加監聽器（圖形結果、檢視結果樹）
- 選項-> Log Viewer （打開日志）
執行結果如下：
問題很明顯，當庫存為1時，還成功了3個訂單，這結果并不是我們所期望的。
這是因為，分布式環境下，當隻有1個庫存時候，同時有3個線程讀取到了該庫存，完成了下單。這種多使用者通路導緻資料不準确的問題，就可以用分布式鎖來解決。
接下來，我們看看用Redis怎麼實作分布式鎖。
2、分布式鎖實作（初級版）
根據前面介紹的，分布式鎖，必須具備下面三個特性：
- 互斥性：隻有擷取到鎖的線程才能通路。
- 防死鎖：設定過期自動删除來實作解釋失敗導緻的死鎖。
- 高可用：通過Redis Cluster的高可用來保證。
實作思路很簡單：通路庫存前，往Redis寫入一個鎖标志，通路結束删除鎖，隻有拿到鎖的才可以通路。
- 設定過期時間來清理未被成功删除的鎖。
- 設定加鎖人的身份辨別，防止被他人誤删。
Redis提供了豐富的指令操作功能，JAVA可以用RedisTemplate操作，代碼如下：
再看⼀下結果：
執行結果正常，到這裡，一個簡單分布式鎖就完成了。作為一個思路嚴謹的程式員，你可能還有諸多疑問：如果設定鎖成功，設定過期時間失敗了怎麼辦？如果過期時間到了，業務沒執行完怎麼辦？如果沒擷取到鎖，想等待鎖空閑再擷取，該怎麼實作？如果加鎖方法調用了其他方法，其他方法又調用加鎖方法，需多次進入該鎖，怎麼辦？
生産級使用，還需要實作：原子操作、續期、阻塞擷取、支援重入。
具體實作方法，請接着往下看。
3、分布式鎖實作（進階版）
基于上面的問題，你也許想到了解決方案，比如：
- 原子操作：可以通過Redis提供的Lua腳本功能來實作。
- 續期：可以用異步線程自動續期，或者顯示調用續期方法。
- 阻塞擷取：擷取鎖時設定等待時間，内部用循環自旋擷取鎖，直到逾時。
- 重入：可以通過Redis Hash結構存儲，同時記錄key和value，每次進入value+1。
簡單介紹一下Lua腳本：
Redis Lua腳本：從redis 2.6.0推出了腳本功能，允許開發者用Lua語言編寫腳本，傳到Redis中執行。使用腳本好處：
- 減少網絡開銷
- 原子操作
- 替代Redis的事物功能
接下來，我們分析一下加鎖、重入、解鎖的完整流程。
① 加鎖（續期）原理
② 重入原理
- 資料結構類似Java的Map <key,Map<key1,value>>類型，這裡key為鎖名稱，key1為用戶端資訊，value為重入次數。
- 資料結構設計：<工程名稱+keyName,<hostaddress+uuid:線程ID，重入次數>>
- 每重入一次，value就+1。
③ 解鎖原理
- 解鎖時，先判斷線程資訊（隻能操作目前線程的鎖），再将加鎖次數減1，當次數為0就删除鎖。
④ 加鎖和重入的Lua腳本
Redis指令解釋：
- EXISTS key：檢查給定 key 是否存在，存在傳回 1 ，否則傳回0 。
- HSET key field value：将哈希表 key 中的域 field 的值設為 value 。
- PEXPIRE key milliseconds：以毫秒為機關設定 key 的生存時間。
- HEXISTS key field：檢視哈希表 key 中，給定域 field 是否存在。
- HINCRBY key field increment：為哈希表 key 中的域 field 的值加上增量 increment 。
- PTTL key：以毫秒為機關傳回 key 的剩餘生存時間。
⑤ 解鎖Lua腳本
⑥ 腳本執行
執行Lua腳本，可以通過下面兩個方法（一次加載，多次執行）。
String hash = redisCluster.scriptLoad(script, key);
Object result = redisCluster.evalsha(hash, keys, args);
實作了上面這些功能，一個企業級高可用分布式鎖基本就完成了。
當然，在實作過程，還需要考慮很多細節問題，比如：腳本加載失敗重試、Redis叢集路由、腳本執行失敗重試等等。
三、寫在最後
本文介紹了分布式鎖特性、應用場景、以及實作方式，并以一個基于Redis設計分布式鎖的例子，介紹了分布式鎖的設計原理和思路，希望幫助大家對分布式鎖有一個更新的認識。
Redis實作分布式鎖隻是其中一種方案，也不能保證100%的一緻性，比如Redis叢集Master加鎖成功，還沒來得及同步到Slave節點，Master就挂了，這種場景也會出現資料不一緻的問題。如果對可靠性有更高要求，可以選擇Zookeeper實作方案。再比如，網際網路秒殺場景僅僅基于一個分布式鎖也不能完全扛得住，可能需要引入分段庫存鎖機制來實作。
任何技術都不是萬能的，沒有哪一種技術方案能解決所有業務場景的問題，希望大家根據業務場景選擇合适的技術方案！
作者丨沙漠鷹
來源丨八戒技術團隊
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