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为什么要使用分布锁？

首先，我先带你认识一下什么是锁。

在单机多线程环境中，我们经常遇到多个线程访问同一个共享资源（这里需要注意的是：在很多地方，这种资源会称为临界资源，但在今天这篇文章中，我们统一称之为共享资源）的情况。为了维护数据的一致性，我们需要某种机制来保证只有满足某个条件的线程才能访问资源，不满足条件的线程只能等待，在下一轮竞争中重新满足条件时才能访问资源。

这个机制指的是，为了实现分布式互斥，在某个地方做个标记，这个标记每个线程都能看到，到标记不存在时可以设置该标记，当标记被设置后，其他线程只能等待拥有该标记的线程执行完成，并释放该标记后，才能去设置该标记和访问共享资源。这里的标记，就是我们常说的锁。

也就是说，锁是实现多线程同时访问同一共享资源，保证同一时刻只有一个线程可访问共享资源所做的一种标记。

与普通锁不同的是，分布式锁是指分布式环境下，系统部署在多个机器中，实现多进程分布式互斥的一种锁。为了保证多个进程能看到锁，锁被存在公共存储（比如 Redis、Memcache、数据库等三方存储中），以实现多个进程并发访问同一个临界资源，同一时刻只有一个进程可访问共享资源，确保数据的一致性。

那什么场景下需要使用分布式锁呢？

比如，现在某电商要售卖某大牌吹风机（以下简称“吹风机”），库存只有 2 个，但有 5个来自不同地区的用户{A,B,C,D,E}几乎同时下单，那么这 2 个吹风机到底会花落谁家呢？

你可能会想，这还不简单，谁先提交订单请求，谁就购买成功呗。但实际业务中，为了高并发地接受大量用户订单请求，很少有电商网站真正实施这么简单的措施。

此外，对于订单的优先级，不同电商往往采取不同的策略，比如有些电商根据下单时间判断谁可以购买成功，而有些电商则是根据付款时间来判断。但，无论采用什么样的规则去判断谁能购买成功，都必须要保证吹风机售出时，数据库中更新的库存是正确的。为了便于理解，我在下面的讲述中，以下单时间作为购买成功的判断依据。

我们能想到的最简单方案就是，给吹风机的库存数加一个锁。当有一个用户提交订单后，后台服务器给库存数加一个锁，根据该用户的订单修改库存。而其他用户必须等到锁释放以后，才能重新获取库存数，继续购买。

在这里，吹风机的库存就是共享资源，不同的购买者对应着多个进程，后台服务器对共享资源加的锁就是告诉其他进程“关键重地，非请勿入”。

但问题就这样解决了吗？当然没这么简单。

想象一下，用户 A 想买 1 个吹风机，用户 B 想买 2 个吹风机。在理想状态下，用户 A 网速好先买走了 1 个，库存还剩下 1 个，此时应该提示用户 B 库存不足，用户 B 购买失败。但实际情况是，用户 A 和用户 B 同时获取到商品库存还剩 2 个，用户 A 买走 1 个，在用户 A 更新库存之前，用户 B 又买走了 2 个，此时用户 B 更新库存，商品还剩 0 个。这时，电商就头大了，总共 2 个吹风机，却卖出去了 3 个。

不难看出，如果只使用单机锁将会出现不可预知的后果。因此，在高并发场景下，为了保证临界资源同一时间只能被一个进程使用，从而确保数据的一致性，我们就需要引入分布式锁了。

此外，在大规模分布式系统中，单个机器的线程锁无法管控多个机器对同一资源的访问，这时使用分布式锁，就可以把整个集群当作一个应用一样去处理，实用性和扩展性更好。

分布式锁的三种实现方法及对比

接下来，我带你看看实现分布式锁的 3 种主流方法，即：

• 基于数据库实现分布式锁，这里的数据库指的是关系型数据库；
• 基于缓存实现分布式锁；
• 基于 ZooKeeper 实现分布式锁。

基于数据库实现分布式锁

要实现分布式锁，最简单的方式就是创建一张锁表，然后通过操作该表中的数据来实现。

当我们要锁住某个资源时，就在该表中增加一条记录，想要释放锁的时候就删除这条记录。数据库对共享资源做了唯一性约束，如果有多个请求被同时提交到数据库的话，数据库会保证只有一个操作可以成功，操作成功的那个线程就获得了访问共享资源的锁，可以进行操作。

基于数据库实现的分布式锁，是最容易理解的。但是，因为数据库需要落到硬盘上，频繁读取数据库会导致 IO 开销大，因此这种分布式锁适用于并发量低，对性能要求低的场景。对于双 11、双 12 等需求量激增的场景，数据库锁是无法满足其性能要求的。而在平日的购物中，我们可以在局部场景中使用数据库锁实现对资源的互斥访问。

下面，我们还是以电商售卖吹风机的场景为例。吹风机库存是 2 个，有 5 个来自不同地区的用户{A,B,C,D,E}想要购买，其中用户 A 想买 1 个，用户 B 想买 2 个，用户 C 想买 1个。

用户 A 和用户 B 几乎同时下单，但用户 A 的下单请求最先到达服务器。因此，该商家的产品数据库中增加了一条关于用户 A 的记录，用户 A 获得了锁，他的订单请求被处理，服务器修改吹风机库存数，减去 1 后还剩下 1 个。

当用户 A 的订单请求处理完成后，有关用户 A 的记录被删除，服务器开始处理用户 B 的订单请求。这时，库存只有 1 个了，无法满足用户 B 的订单需求，因此用户 B 购买失败。

从数据库中，删除用户 B 的记录，服务器开始处理用户 C 的订单请求，库存中 1 个吹风机满足用户 C 的订单需求。所以，数据库中增加了一条关于用户 C 的记录，用户 C 获得了锁，他的订单请求被处理，服务器修改吹风机数量，减去 1 后还剩下 0 个。

可以看出，基于数据库实现分布式锁比较简单，绝招在于创建一张锁表，为申请者在锁表里建立一条记录，记录建立成功则获得锁，消除记录则释放锁。该方法依赖于数据库，主要有两个缺点：

• 单点故障问题。一旦数据库不可用，会导致整个系统崩溃。
• 死锁问题。数据库锁没有失效时间，未获得锁的进程只能一直等待已获得锁的进程主动释放锁。一旦已获得锁的进程挂掉或者解锁操作失败，会导致锁记录一直存在数据库中，其他进程无法获得锁。

基于缓存实现分布式锁

数据库的性能限制了业务的并发量，那么对于双 11、双 12 等需求量激增的场景是否有解决方法呢？

基于缓存实现分布式锁的方式，非常适合解决这种场景下的问题。所谓基于缓存，也就是说把数据存放在计算机内存中，不需要写入磁盘，减少了 IO 读写。接下来，我以 Redis 为例与你展开这部分内容。

Redis 通常可以使用 setnx(key, value) 函数来实现分布式锁。key 和 value 就是基于缓存的分布式锁的两个属性，其中 key 表示锁 id，value = currentTime + timeOut，表示当前时间 + 超时时间。也就是说，某个进程获得 key 这把锁后，如果在 value 的时间内未释放锁，系统就会主动释放锁。

setnx 函数的返回值有 0 和 1：

• 返回 1，说明该服务器获得锁，setnx 将 key 对应的 value 设置为当前时间 + 锁的有效时间。
• 返回 0，说明其他服务器已经获得了锁，进程不能进入临界区。该服务器可以不断尝试setnx 操作，以获得锁。

我还是以电商售卖吹风机的场景为例，和你说明基于缓存实现的分布式锁，假设现在库存数量是足够的。

用户 A 的请求因为网速快，最先到达 Server2，setnx 操作返回 1，并获取到购买吹风机的锁；用户 B 和用户 C 的请求，几乎同时到达了 Server1 和 Server3，但因为这时 Server2获取到了吹风机数据的锁，所以只能加入等待队列。

Server2 获取到锁后，负责管理吹风机的服务器执行业务逻辑，只用了 1s 就完成了订单。订单请求完成后，删除锁的 key，从而释放锁。此时，排在第二顺位的 Server1 获得了锁，可以访问吹风机的数据资源。但不巧的是，Server1 在完成订单后发生了故障，无法主动释放锁。

于是，排在第三顺位的 Server3 只能等设定的有效时间（比如 30 分钟）到期，锁自动释放后，才能访问吹风机的数据资源，也就是说用户 C 只能到 00:30:01 以后才能继续抢购。

总结来说，Redis 通过队列来维持进程访问共享资源的先后顺序。Redis 锁主要基于 setnx函数实现分布式锁，当进程通过 setnx<key,value> 函数返回 1 时，表示已经获得锁。排在后面的进程只能等待前面的进程主动释放锁，或者等到时间超时才能获得锁。

相对于基于数据库实现分布式锁的方案来说，基于缓存实现的分布式锁的优势表现在以下几个方面：

• 性能更好。数据被存放在内存，而不是磁盘，避免了频繁的 IO 操作。
• 很多缓存可以跨集群部署，避免了单点故障问题。
• 很多缓存服务都提供了可以用来实现分布式锁的方法，比如 Redis 的 setnx 方法等。
• 可以直接设置超时时间来控制锁的释放，因为这些缓存服务器一般支持自动删除过期数据。

这个方案的不足是，通过超时时间来控制锁的失效时间，并不是十分靠谱，因为一个进程执行时间可能比较长，或受系统进程做内存回收等影响，导致时间超时，从而不正确地释放了锁。

为了解决基于缓存实现的分布式锁的这些问题，我们再来看看基于 ZooKeeper 实现的分布式锁吧。

基于ZooKeeper实现分布式锁

ZooKeeper 基于树形数据存储结构实现分布式锁，来解决多个进程同时访问同一临界资源时，数据的一致性问题。ZooKeeper 的树形数据存储结构主要由 4 种节点构成：

• 持久节点。这是默认的节点类型，一直存在于 ZooKeeper 中。
• 持久顺序节点。也就是说，在创建节点时，ZooKeeper 根据节点创建的时间顺序对节点进行编号。
• 临时节点。与持久节点不同，当客户端与 ZooKeeper 断开连接后，该进程创建的临时节点就会被删除。
• 临时顺序节点，就是按时间顺序编号的临时节点。

根据它们的特征，ZooKeeper 基于临时顺序节点实现了分布锁。

还是以电商售卖吹风机的场景为例。假设用户 A、B、C 同时在 11 月 11 日的零点整提交了购买吹风机的请求，ZooKeeper 会采用如下方法来实现分布式锁：

1. 在与该方法对应的持久节点 shared_lock 的目录下，为每个进程创建一个临时顺序节点。如下图所示，吹风机就是一个拥有 shared_lock 的目录，当有人买吹风机时，会为他创建一个临时顺序节点。
2. 每个进程获取 shared_lock 目录下的所有临时节点列表，注册子节点变更的Watcher，并监听节点。
3. 每个节点确定自己的编号是否是 shared_lock 下所有子节点中最小的，若最小，则获得锁。例如，用户 A 的订单最先到服务器，因此创建了编号为 1 的临时顺序节点LockNode1。该节点的编号是持久节点目录下最小的，因此获取到分布式锁，可以访问临界资源，从而可以购买吹风机。
4. 若本进程对应的临时节点编号不是最小的，则分为两种情况：

• 本进程为读请求，如果比自己序号小的节点中有写请求，则等待；
• 本进程为写请求，如果比自己序号小的节点中有读请求，则等待。

例如，用户 B 也想要买吹风机，但在他之前，用户 C 想看看吹风机的库存量。因此，用户B 只能等用户 A 买完吹风机、用户 C 查询完库存量后，才能购买吹风机。

可以看到，使用 ZooKeeper 可以完美解决设计分布式锁时遇到的各种问题，比如单点故障、不可重入、死锁等问题。虽然 ZooKeeper 实现的分布式锁，几乎能涵盖所有分布式锁的特性，且易于实现，但需要频繁地添加和删除节点，所以性能不如基于缓存实现的分布式锁。

三种实现方式对比

我通过一张表格来对比一下这三种方式的特点，以方便你理解、记忆。

总结来说，ZooKeeper 分布式锁的可靠性最高，有封装好的框架，很容易实现分布式锁的功能，并且几乎解决了数据库锁和缓存式锁的不足，因此是实现分布式锁的首选方法。

从上述分析可看出，为了确保分布式锁的可用性，我们在设计时应考虑到以下几点：

互斥性，即在分布式系统环境下，分布式锁应该能保证一个资源或一个方法在同一时间只
能被一个机器的一个线程或进程操作。
具备锁失效机制，防止死锁。即使有一个进程在持有锁的期间因为崩溃而没有主动解锁，
也能保证后续其他进程可以获得锁。
可重入性，即进程未释放锁时，可以多次访问临界资源。
有高可用的获取锁和释放锁的功能，且性能要好。

总结

本文以电商购物为例，首先带你剖析了什么是分布式锁，以及为什么需要分布式锁；然后，与你介绍了三种实现分布式锁的方法，包括基于数据库实现、基于缓存实现（以 Redis 为例），以及基于 ZooKeeper 实现。

分布式锁是解决多个进程同时访问临界资源的常用方法，在分布式系统中非常常见，比如开源的 ZooKeeper、Redis 中就有所涉及。通过今天这篇文章对分布式锁原理及方法的讲解，我相信你会发现分布式锁不再那么神秘、难懂，然后以此为基础对分布式锁进行更深入的学习和应用。

接下来，我把今天的内容通过下面的一张思维导图再全面总结下。