分布式鎖是一種用于保證分布式系統(tǒng)中多個進程或線程同步訪問共享資源的技術。同時它又是面試中的常見問題，所以我們本文就重點來看分布式鎖的具體實現(xiàn)（含實現(xiàn)代碼）。

在分布式系統(tǒng)中，由于各個節(jié)點之間的網(wǎng)絡通信延遲、故障等原因，可能會導致數(shù)據(jù)不一致的問題。分布式鎖通過協(xié)調多個節(jié)點的行為，保證在任何時刻只有一個節(jié)點可以訪問共享資源，以避免數(shù)據(jù)的不一致性和沖突。

1、分布式鎖要求

分布式鎖通常需要滿足以下幾個要求：

1. 互斥性：在任意時刻只能有一個客戶端持有鎖。
2. 不會發(fā)生死鎖：即使持有鎖的客戶端發(fā)生故障，也能保證鎖最終會被釋放。
3. 具有容錯性：分布式鎖需要能夠容忍節(jié)點故障等異常情況，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2、實現(xiàn)方案

在 Java 中，實現(xiàn)分布式鎖的方案有多種，包括：

• 基于數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的分布式鎖：可以通過數(shù)據(jù)庫的樂觀鎖或悲觀鎖實現(xiàn)分布式鎖，但是由于數(shù)據(jù)庫的 IO 操作比較慢，不適合高并發(fā)場景。
• 基于 ZooKeeper 實現(xiàn)的分布式鎖：ZooKeeper 是一個高可用性的分布式協(xié)調服務，可以通過它來實現(xiàn)分布式鎖。但是使用 ZooKeeper 需要部署額外的服務，增加了系統(tǒng)復雜度。
• 基于 Redis 實現(xiàn)的分布式鎖：Redis 是一個高性能的內存數(shù)據(jù)庫，支持分布式部署，可以通過Redis的原子操作實現(xiàn)分布式鎖，而且具有高性能和高可用性。

3、數(shù)據(jù)庫分布式鎖

數(shù)據(jù)庫的樂觀鎖或悲觀鎖都可以實現(xiàn)分布式鎖，下面分別來看。

（1）悲觀鎖

在數(shù)據(jù)庫中使用 for update 關鍵字可以實現(xiàn)悲觀鎖，我們在 Mapper 中添加 for update 即可對數(shù)據(jù)加鎖，實現(xiàn)代碼如下：

    SELECT * FROM user WHERE id = #{id} FOR UPDATE

在 Service 中調用 Mapper 方法，即可獲取到加鎖的數(shù)據(jù)：

@Transactional
public void updateWithPessimisticLock(int id, String name) {
    User user = userMapper.selectByIdForUpdate(id);
    if (user != null) {
        user.setName(name);
        userMapper.update(user);
    } else {
        throw new RuntimeException("數(shù)據(jù)不存在");
    }
}

（2）樂觀鎖

在 MyBatis 中，可以通過給表添加一個版本號字段來實現(xiàn)樂觀鎖。在 Mapper 中，使用標簽定義更新語句，同時使用 set 標簽設置版本號的增量。

    UPDATE user SET
    name = #{name},
    version = version + 1
    WHERE id = #{id} AND version = #{version}

在 Service 中調用 Mapper 方法，需要傳入更新數(shù)據(jù)的版本號。如果更新失敗，說明數(shù)據(jù)已經(jīng)被其他事務修改，具體實現(xiàn)代碼如下：

@Transactional
public void updateWithOptimisticLock(int id, String name, int version) {
    User user = userMapper.selectById(id);
    if (user != null) {
        user.setName(name);
        user.setVersion(version);
        int rows = userMapper.updateWithOptimisticLock(user);
        if (rows == 0) {
            throw new RuntimeException("數(shù)據(jù)已被其他事務修改");
        }
    } else {
        throw new RuntimeException("數(shù)據(jù)不存在");
    }
}

4、Zookeeper 分布式鎖

在 Spring Boot 中，可以使用 Curator 框架來實現(xiàn) ZooKeeper 分布式鎖，具體實現(xiàn)分為以下 3 步：

1. 引入 Curator 和 ZooKeeper 客戶端依賴；
2. 配置 ZooKeeper 連接信息；
3. 編寫分布式鎖實現(xiàn)類。

（1）引入 Curator 和 ZooKeeper

    org.apache.curator
    curator-framework
    latest


    org.apache.curator
    curator-recipes
    latest


    org.apache.zookeeper
    zookeeper
    latest

（2）配置 ZooKeeper 連接

在 application.yml 中添加 ZooKeeper 連接配置：

spring:
  zookeeper:
    connect-string: localhost:2181
    namespace: demo

（3）編寫分布式鎖實現(xiàn)類

@Component
public class DistributedLock {

    @Autowired
    private CuratorFramework curatorFramework;

    /**
     * 獲取分布式鎖
     *
     * @param lockPath   鎖路徑
     * @param waitTime   等待時間
     * @param leaseTime  鎖持有時間
     * @param timeUnit   時間單位
     * @return 鎖對象
     * @throws Exception 獲取鎖異常
     */
    public InterProcessMutex acquire(String lockPath, long waitTime, long leaseTime, TimeUnit timeUnit) throws Exception {
        InterProcessMutex lock = new InterProcessMutex(curatorFramework, lockPath);
        if (!lock.acquire(waitTime, timeUnit)) {
            throw new RuntimeException("獲取分布式鎖失敗");
        }
        if (leaseTime > 0) {
            lock.acquire(leaseTime, timeUnit);
        }
        return lock;
    }

    /**
     * 釋放分布式鎖
     *
     * @param lock 鎖對象
     * @throws Exception 釋放鎖異常
     */
    public void release(InterProcessMutex lock) throws Exception {
        if (lock != null) {
            lock.release();
        }
    }
}

5、Redis 分布式鎖

我們可以使用 Redis 客戶端 Redisson 實現(xiàn)分布式鎖，它的實現(xiàn)步驟如下：

• 添加 Redisson 依賴
• 配置 Redisson 連接信息
• 編寫分布式鎖代碼類

（1）添加 Redisson 依賴

在 pom.xml 中添加如下配置：

    org.redisson
    redisson-spring-boot-starter
    3.20.0

（2）配置 Redisson 連接

在 Spring Boot 項目的配置文件 application.yml 中添加 Redisson 配置：

spring:
  data:
    redis:
      host: localhost
      port: 6379
      database: 0
redisson:
  codec: org.redisson.codec.JsonJacksonCodec
  single-server-config:
    address: "redis://${spring.data.redis.host}:${spring.redis.port}"
    database: "${spring.data.redis.database}"
    password: "${spring.data.redis.password}"

（3）編寫分布式鎖代碼類

import jakarta.annotation.Resource;
import org.redisson.Redisson;
import org.redisson.api.RLock;
import org.springframework.stereotype.Service;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

@Service
public class RedissonLockService {
    @Resource
    private Redisson redisson;

    /**
     * 加鎖
     *
     * @param key     分布式鎖的 key
     * @param timeout 超時時間
     * @param unit    時間單位
     * @return
     */
    public boolean tryLock(String key, long timeout, TimeUnit unit) {
        RLock lock = redisson.getLock(key);
        try {
            return lock.tryLock(timeout, unit);
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
            return false;
        }
    }

    /**
     * 釋放分布式鎖
     *
     * @param key 分布式鎖的 key
     */
    public void unlock(String key) {
        RLock lock = redisson.getLock(key);
        lock.unlock();
    }
}

6、Redis VS Zookeeper

Redis 和 ZooKeeper 都可以用來實現(xiàn)分布式鎖，它們在實現(xiàn)分布式鎖的機制和原理上有所不同，具體區(qū)別如下：

• 數(shù)據(jù)存儲方式：Redis 將鎖信息存儲在內存中，而 ZooKeeper 將鎖信息存儲在 ZooKeeper 的節(jié)點上，因此 ZooKeeper 需要更多的磁盤空間。
• 鎖的釋放：Redis 的鎖是通過設置鎖的過期時間來自動釋放的，而 ZooKeeper 的鎖需要手動釋放，如果鎖的持有者出現(xiàn)宕機或網(wǎng)絡中斷等情況，需要等待鎖的超時時間才能自動釋放。
• 鎖的競爭機制：Redis 使用的是單機鎖，即所有請求都直接連接到同一臺 Redis 服務器，容易發(fā)生單點故障；而 ZooKeeper 使用的是分布式鎖，即所有請求都連接到 ZooKeeper 集群，具有較好的可用性和可擴展性。
• 一致性：Redis 的鎖是非嚴格意義下的分布式鎖，因為在多臺機器上運行多個進程時，由于 Redis 的主從同步可能會存在數(shù)據(jù)不一致的問題；而 ZooKeeper 是強一致性的分布式系統(tǒng)，保證了數(shù)據(jù)的一致性。
• 性能：Redis 的性能比 ZooKeeper 更高，因為 Redis 將鎖信息存儲在內存中，而 ZooKeeper 需要進行磁盤讀寫操作。

總之，Redis 適合實現(xiàn)簡單的分布式鎖場景，而 ZooKeeper 適合實現(xiàn)復雜的分布式協(xié)調場景，也就是 ZooKeeper 適合強一致性的分布式系統(tǒng)。

“強一致性是指系統(tǒng)中的所有節(jié)點在任何時刻看到的數(shù)據(jù)都是一致的。ZooKeeper 中的數(shù)據(jù)是有序的樹形結構，每個節(jié)點都有唯一的路徑標識符，所有節(jié)點都共享同一份數(shù)據(jù)，當任何一個節(jié)點對數(shù)據(jù)進行修改時，所有節(jié)點都會收到通知，更新數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)的一致性。在 ZooKeeper 中，強一致性體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的讀寫操作上。ZooKeeper 使用 ZAB（ZooKeeper Atomic Broadcast）協(xié)議來保證數(shù)據(jù)的一致性，該協(xié)議確保了數(shù)據(jù)更新的順序，所有的數(shù)據(jù)更新都需要經(jīng)過集群中的大多數(shù)節(jié)點確認，保證了數(shù)據(jù)的一致性和可靠性?！?/p>

小結

在 Java 中，使用數(shù)據(jù)庫、ZooKeeper 和 Redis 都可以實現(xiàn)分布式鎖。但數(shù)據(jù)庫 IO 操作比較慢，不適合高并發(fā)場景；Redis 執(zhí)行效率最高，但在主從切換時，可能會出現(xiàn)鎖丟失的情況；ZooKeeper 是一個高可用性的分布式協(xié)調服務，可以保證數(shù)據(jù)的強一致性，但是使用 ZooKeeper 需要部署額外的服務，增加了系統(tǒng)復雜度。所以沒有最好的解決方案，只有最合適自己的解決方案。

標題名稱：分布式鎖的三種實現(xiàn)！
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