“锁”是我们实际工作和面试中无法避开的话题之一，正确使用锁可以保证高并发环境下程序的正确执行，也就是说只有使用锁才能保证多人同时访问时程序不会出现问题。 我们本课时的面试题是，什么是分布式锁？如何实现分布式锁？ #### 典型回答 第 06 课时讲了单机锁的一些知识，包括悲观锁、乐观锁、可重入锁、共享锁和独占锁等内容，但它们都属于单机锁也就是程序级别的锁，如果在分布式环境下使用就会出现锁不生效的问题，因此我们需要使用分布式锁来解决这个问题。 分布式锁是控制分布式系统之间同步访问共享资源的一种方式。是为了解决分布式系统中，不同的系统或是同一个系统的不同主机共享同一个资源的问题，它通常会采用互斥来保证程序的一致性，这就是分布式锁的用途以及执行原理。 分布式锁示意图，如下图所示：  分布式锁的常见实现方式有四种： * 基于 MySQL 的悲观锁来实现分布式锁，这种方式使用的最少，因为这种实现方式的性能不好，且容易造成死锁； * 基于 Memcached 实现分布式锁，可使用 add 方法来实现，如果添加成功了则表示分布式锁创建成功； * 基于 Redis 实现分布式锁，这也是本课时要介绍的重点，可以使用 setnx 方法来实现； * 基于 ZooKeeper 实现分布式锁，利用 ZooKeeper 顺序临时节点来实现。 由于 MySQL 的执行效率问题和死锁问题，所以这种实现方式会被我们先排除掉，而 Memcached 和 Redis 的实现方式比较类似，但因为 Redis 技术比较普及，所以会优先使用 Redis 来实现分布式锁，而 ZooKeeper 确实可以很好的实现分布式锁。但此技术在中小型公司的普及率不高，尤其是非 Java 技术栈的公司使用的较少，如果只是为了实现分布式锁而重新搭建一套 ZooKeeper 集群，显然实现成本和维护成本太高，所以综合以上因素，我们本文会采用 Redis 来实现分布式锁。 之所以可以使用以上四种方式来实现分布式锁，是因为以上四种方式都属于程序调用的“外部系统”，而分布式的程序是需要共享“外部系统”的，这就是分布式锁得以实现的基本前提。 #### 考点分析 分布式锁的问题看似简单，但却有很多细节需要注意，比如，需要考虑分布式锁的超时问题，如果不设置超时时间的话，可能会导致死锁的产生，所以在对待这个“锁”的问题上，一定不能马虎。和此知识点相关的面试还有以下这些： * 单机锁有哪些？它为什么不能在分布式环境下使用？ * Redis 是如何实现分布式锁的？可能会遇到什么问题？ * 分布式锁超时的话会有什么问题？如何解决？ #### 知识扩展 * [ ] 单机锁 程序中使用的锁叫单机锁，我们日常中所说的“锁”都泛指单机锁，其分类有很多，大体可分为以下几类： * 悲观锁，是数据对外界的修改采取保守策略，它认为线程很容易把数据修改掉，因此在整个数据被修改的过程中都会采取锁定状态，直到一个线程使用完，其他线程才可以继续使用，典型应用是 synchronized； * 乐观锁，和悲观锁的概念恰好相反，乐观锁认为一般情况下数据在修改时不会出现冲突，所以在数据访问之前不会加锁，只是在数据提交更改时，才会对数据进行检测，典型应用是 ReadWriteLock 读写锁； * 可重入锁，也叫递归锁，指的是同一个线程在外面的函数获取了锁之后，那么内层的函数也可以继续获得此锁，在 Java 语言中 ReentrantLock 和 synchronized 都是可重入锁； * 独占锁和共享锁，只能被单线程持有的锁叫做独占锁，可以被多线程持有的锁叫共享锁，独占锁指的是在任何时候最多只能有一个线程持有该锁，比如 ReentrantLock 就是独占锁；而 ReadWriteLock 读写锁允许同一时间内有多个线程进行读操作，它就属于共享锁。 单机锁之所以不能应用在分布式系统中是因为，在分布式系统中，每次请求可能会被分配在不同的服务器上，而单机锁是在单台服务器上生效的。如果是多台服务器就会导致请求分发到不同的服务器，从而导致锁代码不能生效，因此会造成很多异常的问题，那么单机锁就不能应用在分布式系统中了。 使用 Redis 实现分布式锁 使用 Redis 实现分布式锁主要需要使用 setnx 方法，也就是 set if not exists（不存在则创建），具体的实现代码如下： ``` 127.0.0.1:6379> setnx lock true (integer) 1 #创建锁成功 #逻辑业务处理... 127.0.0.1:6379> del lock (integer) 1 #释放锁 ``` 当执行 setnx 命令之后返回值为 1 的话，则表示创建锁成功，否则就是失败。释放锁使用 del 删除即可，当其他程序 setnx 失败时，则表示此锁正在使用中，这样就可以实现简单的分布式锁了。 但是以上代码有一个问题，就是没有设置锁的超时时间，因此如果出现异常情况，会导致锁未被释放，而其他线程又在排队等待此锁就会导致程序不可用。 有人可能会想到使用 expire 来设置键值的过期时间来解决这个问题，例如以下代码： ``` 127.0.0.1:6379> setnx lock true (integer) 1 #创建锁成功 127.0.0.1:6379> expire lock 30 #设置锁的(过期)超时时间为 30s (integer) 1 #逻辑业务处理... 127.0.0.1:6379> del lock (integer) 1 #释放锁 ``` 但这样执行仍然会有问题，因为 setnx lock true 和 expire lock 30 命令是非原子的，也就是一个执行完另一个才能执行。但如果在 setnx 命令执行完之后，发生了异常情况，那么就会导致 expire 命令不会执行，因此依然没有解决死锁的问题。 这个问题在 Redis 2.6.12 之前一直没有得到有效的处理，当时的解决方案是在客户端进行原子合并操作，于是就诞生了很多客户端类库来解决此原子问题，不过这样就增加了使用的成本。因为你不但要添加 Redis 的客户端，还要为了解决锁的超时问题，需额外的增加新的类库，这样就增加了使用成本，但这个问题在 Redis 2.6.12 版本中得到了有效的处理。 在 Redis 2.6.12 中我们可以使用一条 set 命令来执行键值存储，并且可以判断键是否存在以及设置超时时间了，如下代码所示： ``` 127.0.0.1:6379> set lock true ex 30 nx OK #创建锁成功 ``` 其中，ex 是用来设置超时时间的，而 nx 是 not exists 的意思，用来判断键是否存在。如果返回的结果为“OK”则表示创建锁成功，否则表示此锁有人在使用。 * [ ] 锁超时 从上面的内容可以看出，使用 set 命令之后好像一切问题都解决了，但在这里我要告诉你，其实并没有。例如，我们给锁设置了超时时间为 10s，但程序的执行需要使用 15s，那么在第 10s 时此锁因为超时就会被释放，这时候线程二在执行 set 命令时正常获取到了锁，于是在很短的时间内 2s 之后删除了此锁，这就造成了锁被误删的情况，如下图所示：  锁被误删的解决方案是在使用 set 命令创建锁时，给 value 值设置一个归属标识。例如，在 value 中插入一个 UUID，每次在删除之前先要判断 UUID 是不是属于当前的线程，如果属于再删除，这样就避免了锁被误删的问题。 注意：在锁的归属判断和删除的过程中，不能先判断锁再删除锁，如下代码所示： ``` if(uuid.equals(uuid)){ // 判断是否是自己的锁 del(luck); // 删除锁 } ``` 应该把判断和删除放到一个原子单元中去执行，因此需要借助 Lua 脚本来执行，在 Redis 中执行 Lua 脚本可以保证这批命令的原子性，它的实现代码如下： ``` /** * 释放分布式锁 * @param jedis Redis客户端 * @param lockKey 锁的 key * @param flagId 锁归属标识 * @return 是否释放成功 */ public static boolean unLock(Jedis jedis, String lockKey, String flagId) { String script = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end"; Object result = jedis.eval(script, Collections.singletonList(lockKey), Collections.singletonList(flagId)); if ("1L".equals(result)) { // 判断执行结果 return true; } return false; } ``` 其中，Collections.singletonList() 方法是将 String 转成 List，因为 jedis.eval() 最后两个参数要求必须是 List 类型。 锁超时可以通过两种方案来解决： * 把执行耗时的方法从锁中剔除，减少锁中代码的执行时间，保证锁在超时之前，代码一定可以执行完； * 把锁的超时时间设置的长一些，正常情况下我们在使用完锁之后，会调用删除的方法手动删除锁，因此可以把超时时间设置的稍微长一些。 #### 小结 本课时我们讲了分布式锁的四种实现方式，即 MySQL、Memcached、Redis 和 ZooKeeper，因为 Redis 的普及率比较高，因此对于很多公司来说使用 Redis 实现分布式锁是最优的选择。本课时我们还讲了使用 Redis 实现分布式锁的具体步骤以及实现代码，还讲了在实现过程中可能会遇到的一些问题以及解决方案。 #### 课后问答 * 1、如果业务就是会出现1%的超时呢？怎么处理？ 讲师回复： 要看 1% 的业务超出了多少时间，如果超出的不多就增加超时时长，否则就想办法把耗时的业务代码拎出来。 * 2、锁超时那里，感觉图和描述的不是很清楚，线程1的锁因为超时被释放了，线程2获取到锁开始执行，随后因为线程1在线程2前完成了，所以线程1会去删除锁，所以这里产生了线程2的锁被线程1误删的问题，不知道我这样理解的对不 讲师回复： 是这个意思。 * 3、老师，redis集群下是如何实现锁的呢 讲师回复： 实现方法都是一样的 * 4、删除锁时如果判断锁和删除锁两个操作不是原子性的，可能会出现什么问题？ 讲师回复： 一个先执行，一个后执行，中间执行过程可能被打断，并且有可能把自己的执行权交由另一个线程执行，就会出现一些非安全性问题。 * 5、假如某个线程获取到锁后，执行时间大于过期时间，是不是执行时间到了才会删除设置的键？还是把超时当成异常，然后直接删除键释放锁？ 讲师回复： 过期时间到了也会删除锁，这是 Redis 层面执行的，程序线程执行完了也会删除锁，会有两次删除。正常来说要保证锁的执行时间要尽量的短（不要出现超时的情况），第二，如果超时了要保证线程 A，不能误删线程 B 的锁。 * 6、为什么是删除锁，而不是释放锁？ 讲师回复： 其实是一个意思，一个是物理删除一个是逻辑删除，可以这样理解。 * 7、如果占用锁的任务执行超时，任务会怎么处理？ 讲师回复： 可能会出现 Redis 已经把过期的锁给删除了，线程 A 执行完之后又把线程 B 的锁给误删了，文章有解决方案哈。