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面试题

一般实现分布式锁都有哪些方式?使用 Redis 如何设计分布式锁?使用 zk 来设计分布式锁可以吗?这两种分布式锁的实现方式哪种效率比较高?

面试官心理分析

其实一般问问题,都是这么问的,先问问你 zk,然后其实是要过渡到 zk 相关的一些问题里去,比如分布式锁。因为在分布式系统开发中,分布式锁的使用场景还是很常见的。

面试题剖析

Redis 分布式锁

官方叫做 RedLock 算法,是 Redis 官方支持的分布式锁算法。

这个分布式锁有 3 个重要的考量点:

  • 互斥(只能有一个客户端获取锁)
  • 不能死锁
  • 容错(只要大部分 Redis 节点创建了这把锁就可以)

Redis 最普通的分布式锁

第一个最普通的实现方式,就是在 Redis 里使用 SET key value [EX seconds] [PX milliseconds] NX 创建一个 key,这样就算加锁。其中:

  • NX:表示只有 key 不存在的时候才会设置成功,如果此时 redis 中存在这个 key,那么设置失败,返回 nil
  • EX seconds:设置 key 的过期时间,精确到秒级。意思是 seconds 秒后锁自动释放,别人创建的时候如果发现已经有了就不能加锁了。
  • PX milliseconds:同样是设置 key 的过期时间,精确到毫秒级。

比如执行以下命令:

SET resource_name my_random_value PX 30000 NX

释放锁就是删除 key ,但是一般可以用 lua 脚本删除,判断 value 一样才删除:

-- 删除锁的时候,找到 key 对应的 value,跟自己传过去的 value 做比较,如果是一样的才删除。
if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
    return redis.call("del",KEYS[1])
else
    return 0
end

为啥要用 random_value 随机值呢?因为如果某个客户端获取到了锁,但是阻塞了很长时间才执行完,比如说超过了 30s,此时可能已经自动释放锁了,此时可能别的客户端已经获取到了这个锁,要是你这个时候直接删除 key 的话会有问题,所以得用随机值加上面的 lua 脚本来释放锁。

但是这样是肯定不行的。因为如果是普通的 Redis 单实例,那就是单点故障。或者是 Redis 普通主从,那 Redis 主从异步复制,如果主节点挂了(key 就没有了),key 还没同步到从节点,此时从节点切换为主节点,别人就可以 set key,从而拿到锁。

RedLock 算法

这个场景是假设有一个 Redis cluster,有 5 个 Redis master 实例。然后执行如下步骤获取一把锁:

  1. 获取当前时间戳,单位是毫秒;
  2. 跟上面类似,轮流尝试在每个 master 节点上创建锁,超时时间较短,一般就几十毫秒(客户端为了获取锁而使用的超时时间比自动释放锁的总时间要小。例如,如果自动释放时间是 10 秒,那么超时时间可能在 5~50 毫秒范围内);
  3. 尝试在大多数节点上建立一个锁,比如 5 个节点就要求是 3 个节点 n / 2 + 1
  4. 客户端计算建立好锁的时间,如果建立锁的时间小于超时时间,就算建立成功了;
  5. 要是锁建立失败了,那么就依次之前建立过的锁删除;
  6. 只要别人建立了一把分布式锁,你就得不断轮询去尝试获取锁

redis-redlock.png

Redis 官方给出了以上两种基于 Redis 实现分布式锁的方法,详细说明可以点击查看

zk 分布式锁

zk 分布式锁,其实可以做的比较简单,就是某个节点尝试创建临时 znode,此时创建成功了就获取了这个锁;这个时候别的客户端来创建锁会失败,只能注册个监听器监听这个锁。释放锁就是删除这个 znode,一旦释放掉就会通知客户端,然后有一个等待着的客户端就可以再次重新加锁。

/**
 * ZooKeeperSession
 */
public class ZooKeeperSession {

    private static CountDownLatch connectedSemaphore = new CountDownLatch(1);

    private ZooKeeper zookeeper;
    private CountDownLatch latch;

    public ZooKeeperSession() {
        try {
            this.zookeeper = new ZooKeeper("192.168.31.187:2181,192.168.31.19:2181,192.168.31.227:2181", 50000, new ZooKeeperWatcher());
            try {
                connectedSemaphore.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            System.out.println("ZooKeeper session established......");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 获取分布式锁
     *
     * @param productId
     */
    public Boolean acquireDistributedLock(Long productId) {
        String path = "/product-lock-" + productId;

        try {
            zookeeper.create(path, "".getBytes(), Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL);
            return true;
        } catch (Exception e) {
            while (true) {
                try {
                    // 相当于是给node注册一个监听器,去看看这个监听器是否存在
                    Stat stat = zk.exists(path, true);

                    if (stat != null) {
                        this.latch = new CountDownLatch(1);
                        this.latch.await(waitTime, TimeUnit.MILLISECONDS);
                        this.latch = null;
                    }
                    zookeeper.create(path, "".getBytes(), Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL);
                    return true;
                } catch (Exception ee) {
                    continue;
                }
            }

        }
        return true;
    }

    /**
     * 释放掉一个分布式锁
     *
     * @param productId
     */
    public void releaseDistributedLock(Long productId) {
        String path = "/product-lock-" + productId;
        try {
            zookeeper.delete(path, -1);
            System.out.println("release the lock for product[id=" + productId + "]......");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 建立 zk session 的 watcher
     */
    private class ZooKeeperWatcher implements Watcher {

        public void process(WatchedEvent event) {
            System.out.println("Receive watched event: " + event.getState());

            if (KeeperState.SyncConnected == event.getState()) {
                connectedSemaphore.countDown();
            }

            if (this.latch != null) {
                this.latch.countDown();
            }
        }

    }

    /**
     * 封装单例的静态内部类
     */
    private static class Singleton {

        private static ZooKeeperSession instance;

        static {
            instance = new ZooKeeperSession();
        }

        public static ZooKeeperSession getInstance() {
            return instance;
        }

    }

    /**
     * 获取单例
     *
     * @return
     */
    public static ZooKeeperSession getInstance() {
        return Singleton.getInstance();
    }

    /**
     * 初始化单例的便捷方法
     */
    public static void init() {
        getInstance();
    }

}

也可以采用另一种方式,创建临时顺序节点:

如果有一把锁,被多个人给竞争,此时多个人会排队,第一个拿到锁的人会执行,然后释放锁;后面的每个人都会去监听排在自己前面的那个人创建的 node 上,一旦某个人释放了锁,排在自己后面的人就会被 ZooKeeper 给通知,一旦被通知了之后,就 ok 了,自己就获取到了锁,就可以执行代码了。

public class ZooKeeperDistributedLock implements Watcher {

    private ZooKeeper zk;
    private String locksRoot = "/locks";
    private String productId;
    private String waitNode;
    private String lockNode;
    private CountDownLatch latch;
    private CountDownLatch connectedLatch = new CountDownLatch(1);
    private int sessionTimeout = 30000;

    public ZooKeeperDistributedLock(String productId) {
        this.productId = productId;
        try {
            String address = "192.168.31.187:2181,192.168.31.19:2181,192.168.31.227:2181";
            zk = new ZooKeeper(address, sessionTimeout, this);
            connectedLatch.await();
        } catch (IOException e) {
            throw new LockException(e);
        } catch (KeeperException e) {
            throw new LockException(e);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new LockException(e);
        }
    }

    public void process(WatchedEvent event) {
        if (event.getState() == KeeperState.SyncConnected) {
            connectedLatch.countDown();
            return;
        }

        if (this.latch != null) {
            this.latch.countDown();
        }
    }

    public void acquireDistributedLock() {
        try {
            if (this.tryLock()) {
                return;
            } else {
                waitForLock(waitNode, sessionTimeout);
            }
        } catch (KeeperException e) {
            throw new LockException(e);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new LockException(e);
        }
    }

    public boolean tryLock() {
        try {
             // 传入进去的locksRoot + “/” + productId
            // 假设productId代表了一个商品id,比如说1
            // locksRoot = locks
            // /locks/10000000000,/locks/10000000001,/locks/10000000002
            lockNode = zk.create(locksRoot + "/" + productId, new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);

            // 看看刚创建的节点是不是最小的节点
             // locks:10000000000,10000000001,10000000002
            List<String> locks = zk.getChildren(locksRoot, false);
            Collections.sort(locks);

            if(lockNode.equals(locksRoot+"/"+ locks.get(0))){
                //如果是最小的节点,则表示取得锁
                return true;
            }

            //如果不是最小的节点,找到比自己小1的节点
      int previousLockIndex = -1;
            for(int i = 0; i < locks.size(); i++) {
        if(lockNode.equals(locksRoot + “/” + locks.get(i))) {
                     previousLockIndex = i - 1;
            break;
        }
       }

       this.waitNode = locks.get(previousLockIndex);
        } catch (KeeperException e) {
            throw new LockException(e);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new LockException(e);
        }
        return false;
    }

    private boolean waitForLock(String waitNode, long waitTime) throws InterruptedException, KeeperException {
        Stat stat = zk.exists(locksRoot + "/" + waitNode, true);
        if (stat != null) {
            this.latch = new CountDownLatch(1);
            this.latch.await(waitTime, TimeUnit.MILLISECONDS);
            this.latch = null;
        }
        return true;
    }

    public void unlock() {
        try {
            // 删除/locks/10000000000节点
            // 删除/locks/10000000001节点
            System.out.println("unlock " + lockNode);
            zk.delete(lockNode, -1);
            lockNode = null;
            zk.close();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (KeeperException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public class LockException extends RuntimeException {
        private static final long serialVersionUID = 1L;

        public LockException(String e) {
            super(e);
        }

        public LockException(Exception e) {
            super(e);
        }
    }
}

但是,使用 zk 临时节点会存在另一个问题:由于 zk 依靠 session 定期的心跳来维持客户端,如果客户端进入长时间的 GC,可能会导致 zk 认为客户端宕机而释放锁,让其他的客户端获取锁,但是客户端在 GC 恢复后,会认为自己还持有锁,从而可能出现多个客户端同时获取到锁的情形。

针对这种情况,可以通过 JVM 调优,尽量避免长时间 GC 的情况发生。

redis 分布式锁和 zk 分布式锁的对比

  • redis 分布式锁,其实需要自己不断去尝试获取锁,比较消耗性能。
  • zk 分布式锁,获取不到锁,注册个监听器即可,不需要不断主动尝试获取锁,性能开销较小。

另外一点就是,如果是 Redis 获取锁的那个客户端 出现 bug 挂了,那么只能等待超时时间之后才能释放锁;而 zk 的话,因为创建的是临时 znode,只要客户端挂了,znode 就没了,此时就自动释放锁。

Redis 分布式锁大家没发现好麻烦吗?遍历上锁,计算时间等等......zk 的分布式锁语义清晰实现简单。

所以先不分析太多的东西,就说这两点,我个人实践认为 zk 的分布式锁比 Redis 的分布式锁牢靠、而且模型简单易用。

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