使用分布式锁时要考虑的事情

ivansli2021-05-182024-07-08

为什么需要锁

说起锁，你可能会想起，门锁、保险箱锁、汽车锁、手机锁。甚至，你内心上的那把心锁。

那么问题来了：为什么需要锁？
很多人会说，为了安全，防止丢失，防止被抢、被盗呀。因为，我有需要保护的金钱、资料、钻石、黄金等等这些珍贵的东西。

那，计算机中需要锁吗？
答案是，需要，非常需要。因为计算机也有需要保护起来、不想被篡改的——数据，这种珍贵的东西。

如今的计算机基本都是多核、多进程/线程、并发/并行、乱序执行指令的系统。对于某些共用的数据资源进行访问、修改，如果不进行保护，会引发意想不到的问题。
这些公用的数据资源被称为临界资源。

通常，在访问这些临界资源时，会对其进行加锁操作。把并行访问变为串行访问，以保证数据的一致性。

锁的分类

从硬件、软件系统维度，锁分为：

硬件支持的锁（CPU支持的总线锁）
操作系统/应用程序支持的应用锁
例如，程序的原子操作可以基于硬件支持的总线锁实现

从进程维度，锁分为：

进程内部的锁（通常称为mutex锁）
进程外部的锁（分布式锁）
进程内部锁锁定的是进程内部的临界资源（对应单机系统）

进程外部锁锁定的是进程外部的临界资源（对应分布式系统）

什么是分布式锁

要想知道什么是分布式锁，首先你要知道什么是分布式系统。
互联网是由很多计算机组成，每一台计算机被视为互联网的一个节点，这个单一的节点所组成的系统叫单机系统，而整个互联网组成的系统就叫做分布式系统。
分布式锁简而言之是指，在分布式系统中，当多个节点对共有的进程外部临界资源进行访问时，为了保证数据的一致性而使用的一种，把并行访问变成串行访问的一种策略。

分布式锁需要满足的条件

保证锁的互斥性：无论何时，只能一个客户端获取锁，不能同时有两个客户端获取到锁
保证锁的安全性：锁只能被该锁的持有者删除，不能由其它客户端删除
防止出现死锁：锁的持有者因某些原因（进程挂掉、服务器down机）未释放锁，其它客户端无法获取得锁
保证锁的容错：当提供锁服务的部分节点down掉时，锁持有者仍然能够获取锁和释放锁

只有满足了上面的四个条件，分布式锁在实际的使用中才能够安全可靠。

什么组件可以实现分布式锁

实现分布式锁的组件，通常有以下几种：

基于数据库的锁（不常用）
基于ZooKeeper的分布式锁（使用广泛）
基于Redis的分布式锁（使用广泛）
基于etcd的分布式锁（与ZooKeeper类似）

关于分布式锁需要知道的事情

分布式锁是否需要过期时间
分布式锁如何加锁、解锁
怎么保证锁的高可用性及容错性
锁提前过期了，如何处理

分布式锁是否需要过期时间

需要设置过期时间，是因为如果不设置过期时间会存在如下问题：

锁持有者长时间或者不释放，导致其他进程拿不到锁从而饿死
锁持有者意外挂掉，锁不能被解锁，从而导致锁永远不能释放

举个例子，大家去公园玩，要排队上厕所。如果有人把门从里面锁上之后，处于某些原因决定住在里面不出去，那岂不是导致后面的人无法使用。

如何加锁、解锁
Redis 加锁使用 setnx

1	SET key value NX EX max-lock-time

加锁时设置过期时间，时间以具体业务情况为主
加锁时设置唯一值保存在锁中，用于解锁

Redis 解锁使用 Redis命令执行lua脚本

if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1]
  then
    return redis.call('del', KEYS[1])
  else
    return 0
end

使用lua脚本执行是为了保证原子性
解锁包含两个操作动作：判断当前锁是否属于自己，是，则删除。不是，则不操作。以免误删。

怎么保证锁的高可用性及容错性

分布式锁一般是基于集群之上实现的，例如：zookeeper、Redis集群。

使用集群本身就是为了保证高可用性，但是在容错性方面却存在差异：

zookeeper集群支持CP（发生分区时，保证数据一致性），能够保证数据的一致性及容错性。
Redis集群则需要注意，Redis集群支持AP（发生分区时，只保证可用性不保证保证数据一致性），所以需要用到Red-Lock方案。

其原理殊途同路，都是需要集群节点保证半数以上成功，才会视为成功。

锁提前过期了，如何处理

关于这个问题，很多人在使用时可能没想过。

场景：设置分布式锁的过期时间是10秒，但是程序却需要执行15秒。那么，在10秒后锁就过期了。之后，其他进程抢到锁，也开始执行对临界资源的操作。此刻，多个进程在操作同一数据，会导致意想不到的问题。
解决方案可以参考redisson的操作：先上锁，默认过期时间30秒，如果处理完了，走正常逻辑。对一个值加锁之后，它会在自身维护一个加锁池的队列，每过10秒去重新设置一下过期时间。这样，即使一个锁对应的进程挂掉，也就维持30秒的时间。如果没有挂，并且30秒不够用了，他的内部队列会不断的更新这个过期时间为30秒，保证不会出现问题。

总结

分布式锁在分布式系统开发过程中，起着至关重要的作用，因为多个进程操作相同的临界资源，会导致数据的不一致性。稍一不慎，就会导致很严重的事故从而造成损失。为了解决这个问题，从而产生了各种分布式锁的实现方案以及组件。
在实际开发中，使用最多的当属于zookeeper与Redis，笔者觉得在使用之前要先熟悉原理，并问自己一些上面的问题是否知道以及怎么解决，从而才能能好的把控业务。