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分布式鎖的原理和實(shí)現(xiàn)詳解

young.li / 1672人閱讀

摘要：分布式情況下這個(gè)就需要換成分布式鎖以保證數(shù)據(jù)一致性。三分布式鎖實(shí)現(xiàn)原理所需的依賴一個(gè)擁有強(qiáng)一致性的服務(wù)發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)倉庫。保證數(shù)據(jù)一致性一個(gè)具有高可用性的服務(wù)發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)倉庫。

一、基本概念 
分布式鎖，是單機(jī)鎖的一種擴(kuò)展，主要是為了鎖住分布式系統(tǒng)中不同機(jī)器代碼的物理塊或邏輯塊。以此保證不同機(jī)器之間的邏輯一致性。
二、一個(gè)簡(jiǎn)單的案例 對(duì)DB寫操作的雙檢鎖案例

偽代碼如下

if (可以插入一條數(shù)據(jù)) {
    lock {
        if (可以插入一條數(shù)據(jù)) {
            // 插入一條數(shù)據(jù)
        }
    }
}

上面代碼中的lock如果是單機(jī)情況下的鎖的話，在一臺(tái)服務(wù)器多線程情況下是沒有問題的。但是如果是分布式的情況下，單機(jī)的鎖只能鎖住一臺(tái)服務(wù)器的物理代碼塊，是無法防住其他機(jī)器產(chǎn)生的臟數(shù)據(jù)的。

分布式情況下這個(gè)lock就需要換成分布式鎖以保證數(shù)據(jù)一致性。

三、分布式鎖實(shí)現(xiàn)原理 所需的依賴

一個(gè)擁有強(qiáng)一致性的服務(wù)發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)倉庫。（保證數(shù)據(jù)一致性）

一個(gè)具有高可用性的服務(wù)發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)倉庫。（保證服務(wù)的穩(wěn)定性）

在這里我們使用etcd作為服務(wù)發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)倉庫。

具體實(shí)現(xiàn)原理 我們本次所使用的etcd的能力

etcd節(jié)點(diǎn)的保持獨(dú)占能力。（同一時(shí)間只有一臺(tái)服務(wù)器可以擁有節(jié)點(diǎn)）

節(jié)點(diǎn)事件監(jiān)聽能力。（可以在節(jié)點(diǎn)被釋放／占有時(shí)通知觀察者-服務(wù)器）

節(jié)點(diǎn)主動(dòng)釋放能力。（服務(wù)器可以主動(dòng)釋放擁有節(jié)點(diǎn)）

節(jié)點(diǎn)超時(shí)自動(dòng)釋放能力。（超時(shí)自動(dòng)釋放節(jié)點(diǎn)）

在代碼中，需要準(zhǔn)備以下幾個(gè)內(nèi)容

etcd長(zhǎng)監(jiān)聽。（監(jiān)聽etcd節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)變更時(shí)作出響應(yīng)）

事件隊(duì)列。（存放爭(zhēng)奪etcd節(jié)點(diǎn)的方法）

爭(zhēng)奪鎖事件。

等待鎖超時(shí)事件。（沒畫在流程圖中，在爭(zhēng)奪鎖事件入隊(duì)列時(shí)注冊(cè)，持有鎖時(shí)注銷）

持有鎖超時(shí)事件。（沒畫在流程圖中，在持有鎖時(shí)注冊(cè)，在釋放鎖時(shí)注銷）

釋放鎖事件。

基本代碼流程圖

正常代碼流程圖（markdown畫的，有點(diǎn)丑）

st=>start: 項(xiàng)目啟動(dòng)
watcher=>operation: 監(jiān)聽etcd
ed=>end: 等待請(qǐng)求

st->watcher->ed
st=>start: 開始執(zhí)行l(wèi)ock
ed=>end: 結(jié)束
watcher=>operation: 監(jiān)聽etcd
hasEvent=>condition: 事件隊(duì)列為空
pushEvent=>operation: 爭(zhēng)奪鎖事件 入等待隊(duì)列
watcherEvent=>operation: etcd節(jié)點(diǎn)超時(shí)事件和釋放事件
popEvent=>operation: 爭(zhēng)奪鎖事件 出事件隊(duì)列
execute=>operation: 執(zhí)行被鎖住的代碼塊
fight=>condition: 爭(zhēng)奪鎖失敗
unlock=>operation: 釋放鎖

st->fight
fight(no)->execute->unlock->ed
fight(yes)->pushEvent->watcherEvent->popEvent->fight

事件細(xì)節(jié)偽代碼

準(zhǔn)備一個(gè)清空所有相關(guān)事件的萬能方法

假設(shè)eventQueue是這種業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的事件隊(duì)列
假設(shè)fightEvent是該次執(zhí)行的爭(zhēng)奪鎖事件
假設(shè)clear為清除超時(shí)事件的方法
假設(shè)holdEvent為持有鎖超時(shí)事件
假設(shè)waitEvent為等待鎖超時(shí)事件
假設(shè)unLockEvent為釋放鎖事件

// 清空所有事件 - clearAll
eventQueue.remove(fightEvent)
clear(waitEvent)
clear(holdEvent)

監(jiān)聽etcd的兩個(gè)事件

// 當(dāng)etcd鎖超時(shí)事件或etcd主動(dòng)釋放事件發(fā)生時(shí)

// 爭(zhēng)奪鎖事件 出事件隊(duì)列
fightEvent = eventQueue.pop
// 執(zhí)行爭(zhēng)奪鎖事件
執(zhí)行 fightEvent

爭(zhēng)奪鎖事件

// 爭(zhēng)奪鎖事件
執(zhí)行 etcd爭(zhēng)奪鎖方法
if (搶到鎖了) {
    // 清空所有事件
    執(zhí)行 clearAll
    // 設(shè)置持有鎖超時(shí)事件
    設(shè)置 holdEvent
} else {
    // 爭(zhēng)奪鎖事件如果是二次入隊(duì)列，建議到隊(duì)列頭，而不是到隊(duì)列尾
    eventQueue.push(fightEvent)
}

等待鎖超時(shí)事件（用時(shí)間輪延時(shí)執(zhí)行）

// 清空所有事件
執(zhí)行 clearAll
// 拋出異常
throw new Exception

持有鎖超時(shí)事件（用時(shí)間輪延時(shí)執(zhí)行）

// 執(zhí)行釋放鎖事件
執(zhí)行 unLockEvent

釋放鎖事件

// 釋放鎖事件
執(zhí)行 etcd釋放鎖方法
// 清空所有事件
執(zhí)行 clearAll

備注

以上代碼可以用有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)模式來設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)

圖解分布式服務(wù)器與etcd集群交互

項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)初始化,服務(wù)器A、B、C是一個(gè)分布式系統(tǒng)（不考慮哪臺(tái)為master）

同時(shí)發(fā)來10個(gè)請(qǐng)求,此時(shí)經(jīng)過算法分配假設(shè)變成了這樣

開始爭(zhēng)奪鎖時(shí),10個(gè)線程同時(shí)向etcd爭(zhēng)奪鎖

假設(shè)請(qǐng)求2爭(zhēng)奪成功,那么第一次競(jìng)爭(zhēng)完畢后除了請(qǐng)求2，其他請(qǐng)求都進(jìn)入了各自的事件隊(duì)列等待etcd釋放鎖的通知

當(dāng)請(qǐng)求2執(zhí)行完代碼塊后，向etcd發(fā)送釋放鎖請(qǐng)求

etcd收到釋放鎖請(qǐng)求，將節(jié)點(diǎn)刪除，觸發(fā)compareAndDelete事件（釋放鎖事件）

三臺(tái)服務(wù)器接收到釋放鎖的信息，各自讓事件隊(duì)列頭的請(qǐng)求向etcd發(fā)送爭(zhēng)奪鎖請(qǐng)求

鎖搶完后，重復(fù)4->6的行為

補(bǔ)充說明

etcd還有一個(gè)功能是控制時(shí)序，這樣的話就可以將每個(gè)請(qǐng)求搶鎖的行為控制到只剩一次，業(yè)務(wù)執(zhí)行的順序由etcd控制，不過我沒有試過，有興趣的同學(xué)可以試一試。

之前基于分布式鎖的原理還寫了一個(gè)分布式緩存鎖，是通過鎖緩存來防止緩存擊穿的，有空的時(shí)候補(bǔ)上。感謝各位同學(xué)看我的文章看到此處。

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