在分布式系统中,由于多个服务实例对共享资源的访问存在竞争关系,需要使用分布式锁来实现对共享资源的互斥访问。本文将深入解析分布式锁的实现原理。
分布式锁的作用
在单机环境下,可以简单地使用语言的同步机制来实现对共享资源的互斥访问。但是在分布式系统中,服务实例部署在不同的节点上,那么需要一种跨服务实例的互斥机制来控制共享资源的访问,这就是分布式锁要解决的问题。
分布式锁主要应用于以下场景:
- 不同节点之间互斥访问共享资源,例如同一台机器的多个服务实例访问共享文件。
- 在服务化的系统中,一个业务流程需要调用不同服务,这些服务需要确保串行执行而不是并发执行。
- 限制在一个时间段内只能有一个任务执行。
分布式锁实现方式
常见的分布式锁实现方式包括:
- 基于数据库实现分布式锁
- 基于Redis实现分布式锁
- 基于Zookeeper实现分布式锁
这些方式各有优劣,下面分别介绍。
基于数据库的分布式锁
基于数据库的分布式锁实现原理通常是在数据库中创建一张锁表,表中包含锁资源名称等字段,并在数据库中提供获取锁和释放锁的操作:
- 获取锁:向锁表插入一条记录,成功插入则获取锁;
- 释放锁:删除插入的锁表记录。
它存在的问题是:
- 数据库单点故障;
- 锁没有失效时间,解锁失败会导致其他节点永远等待;
- 不可重入会导致死锁。
基于Redis的分布式锁
Redis分布式锁的实现通常使用 SETNX 和DEL操作:
- 获取锁:SETNX 命令设置锁定资源名称的键值对,成功则获取锁;
- 释放锁:DEL命令删除锁定资源对应的键值对。
相比数据库锁,它解决了数据库单点故障问题,SETNX为原子操作可以避免并发问题。但是仍存在一些问题:
- 锁自动过期时间难以确定;
- SETNX锁只能是非阻塞锁,加锁失败无法重试。
基于Zookeeper的分布式锁
Zookeeper是一个针对大型分布式系统的可靠协调系统,可以用来实现分布式锁。
获取锁的方式是在Zookeeper创建一个临时有序节点,释放锁则删除该节点。客户端获取锁的流程如下:
- 客户端向/lock 节点创建临时有序节点 /lock/lock- *,节点创建成功则获取锁
- 获取 /lock 下所有子节点,如果创建的节点序号最小,说明当前客户端获取锁成功
- 如果获取锁失败,则监听序号比自己小的节点
- handling 锁成功后,只需删除临时创建的节点即可释放锁
Zookeeper分布式锁具有以下优点:
- Zookeeper是高可用服务,避免单点故障
- 锁自动过期避免死锁
- 支持重入
- 可重试的锁获取方式避免失败无法获取锁
因此,Zookeeper提供了较为完善的分布式锁实现。
分布式锁注意事项
在使用分布式锁时,还需要注意以下几点:
- 锁超时机制,防止死锁
- 防止删除异常导致的重复加锁问题
- 锁竞争严重时会出现性能下降问题
- 网络分区场景下的锁无效问题
所以在使用时要细致考虑业务场景,做好超时重试机制,防止不同节点网络通信问题导致锁操作出现问题。
总结
分布式锁对于构建健壮的分布式系统十分重要。常用的实现方式各有优劣,但基于Zookeeper的分布式锁机制是目前最成熟可靠的方式。不过在使用时也要注意可能的异常情况,做好超时重试机制,避免分布式锁实现的 outskirts 带来分布式系统故障。
