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分布式鎖的原理和實現詳解

ZoomQuiet / 2593人閱讀

摘要：分布式情況下這個就需要換成分布式鎖以保證數據一致性。三分布式鎖實現原理所需的依賴一個擁有強一致性的服務發現存儲倉庫。保證數據一致性一個具有高可用性的服務發現存儲倉庫。

一、基本概念 
分布式鎖，是單機鎖的一種擴展，主要是為了鎖住分布式系統中不同機器代碼的物理塊或邏輯塊。以此保證不同機器之間的邏輯一致性。
二、一個簡單的案例 對DB寫操作的雙檢鎖案例

偽代碼如下

if (可以插入一條數據) {
    lock {
        if (可以插入一條數據) {
            // 插入一條數據
        }
    }
}

上面代碼中的lock如果是單機情況下的鎖的話，在一臺服務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，單機的鎖只能鎖住一臺服務器的物理代碼塊，是無法防住其他機器產生的臟數據的。

分布式情況下這個lock就需要換成分布式鎖以保證數據一致性。

三、分布式鎖實現原理 所需的依賴

一個擁有強一致性的服務發現存儲倉庫。（保證數據一致性）

一個具有高可用性的服務發現存儲倉庫。（保證服務的穩定性）

在這里我們使用etcd作為服務發現存儲倉庫。

具體實現原理 我們本次所使用的etcd的能力

etcd節點的保持獨占能力。（同一時間只有一臺服務器可以擁有節點）

節點事件監聽能力。（可以在節點被釋放／占有時通知觀察者-服務器）

節點主動釋放能力。（服務器可以主動釋放擁有節點）

節點超時自動釋放能力。（超時自動釋放節點）

在代碼中，需要準備以下幾個內容

etcd長監聽。（監聽etcd節點，在節點變更時作出響應）

事件隊列。（存放爭奪etcd節點的方法）

爭奪鎖事件。

等待鎖超時事件。（沒畫在流程圖中，在爭奪鎖事件入隊列時注冊，持有鎖時注銷）

持有鎖超時事件。（沒畫在流程圖中，在持有鎖時注冊，在釋放鎖時注銷）

釋放鎖事件。

基本代碼流程圖

正常代碼流程圖（markdown畫的，有點丑）

st=>start: 項目啟動
watcher=>operation: 監聽etcd
ed=>end: 等待請求

st->watcher->ed
st=>start: 開始執行lock
ed=>end: 結束
watcher=>operation: 監聽etcd
hasEvent=>condition: 事件隊列為空
pushEvent=>operation: 爭奪鎖事件 入等待隊列
watcherEvent=>operation: etcd節點超時事件和釋放事件
popEvent=>operation: 爭奪鎖事件 出事件隊列
execute=>operation: 執行被鎖住的代碼塊
fight=>condition: 爭奪鎖失敗
unlock=>operation: 釋放鎖

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

事件細節偽代碼

準備一個清空所有相關事件的萬能方法

假設eventQueue是這種業務對應的事件隊列
假設fightEvent是該次執行的爭奪鎖事件
假設clear為清除超時事件的方法
假設holdEvent為持有鎖超時事件
假設waitEvent為等待鎖超時事件
假設unLockEvent為釋放鎖事件

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

監聽etcd的兩個事件

// 當etcd鎖超時事件或etcd主動釋放事件發生時

// 爭奪鎖事件 出事件隊列
fightEvent = eventQueue.pop
// 執行爭奪鎖事件
執行 fightEvent

爭奪鎖事件

// 爭奪鎖事件
執行 etcd爭奪鎖方法
if (搶到鎖了) {
    // 清空所有事件
    執行 clearAll
    // 設置持有鎖超時事件
    設置 holdEvent
} else {
    // 爭奪鎖事件如果是二次入隊列，建議到隊列頭，而不是到隊列尾
    eventQueue.push(fightEvent)
}

等待鎖超時事件（用時間輪延時執行）

// 清空所有事件
執行 clearAll
// 拋出異常
throw new Exception

持有鎖超時事件（用時間輪延時執行）

// 執行釋放鎖事件
執行 unLockEvent

釋放鎖事件

// 釋放鎖事件
執行 etcd釋放鎖方法
// 清空所有事件
執行 clearAll

備注

以上代碼可以用有限狀態機設計模式來設計業務

圖解分布式服務器與etcd集群交互

項目啟動時初始化,服務器A、B、C是一個分布式系統（不考慮哪臺為master）

同時發來10個請求,此時經過算法分配假設變成了這樣

開始爭奪鎖時,10個線程同時向etcd爭奪鎖

假設請求2爭奪成功,那么第一次競爭完畢后除了請求2，其他請求都進入了各自的事件隊列等待etcd釋放鎖的通知

當請求2執行完代碼塊后，向etcd發送釋放鎖請求

etcd收到釋放鎖請求，將節點刪除，觸發compareAndDelete事件（釋放鎖事件）

三臺服務器接收到釋放鎖的信息，各自讓事件隊列頭的請求向etcd發送爭奪鎖請求

鎖搶完后，重復4->6的行為

補充說明

etcd還有一個功能是控制時序，這樣的話就可以將每個請求搶鎖的行為控制到只剩一次，業務執行的順序由etcd控制，不過我沒有試過，有興趣的同學可以試一試。

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

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