数据库如何实现分布式锁

1. 前言

分布式应用中，有时我们需要一个方法在同一时间只能被一个线程执行。此时我们有可能会使用到分布式锁。

分布式锁需要具备以下特征：

• 互斥性 同一时刻锁只能被一个线程持有。
• 超时释放 超时释放主要是用来避免死锁，防止不必要的线程等待和资源浪费
• 可重入性 一个线程在持有锁的情况下，可以再次请求加锁
• 高性能，高可用 加锁释放锁的操作尽量使用更少的资源，提高性能。同时也要保证高可用，防止分布式锁意外失效

目前比较多的分布式锁有下面的方案：

• 基于数据库实现分布式锁
• 基于缓存（redis， Hazelcast）等实现分布式锁
• 基于Zookeeper实现分布式锁

2. 数据库分布式锁

2.1基于表记录的分布式锁

在数据库中创建一个锁表，并且在需要的字段上创建唯一索引，使用锁的时候就插入数据，插入成功则获得锁，执行结束后，就删除数据。也可以加上version控制，使之成为乐观锁。

• 获取锁：成功插入数据
• 执行业务逻辑
• 释放锁：删除数据

2.2基于数据库行锁的分布式锁

使用select * For update来获取数据库数据锁， where之后的条件加入唯一索引，则表示使用了行锁。其分布式锁使用顺序如下。

• 获取锁：SELECT * FROM database_lock WHERE id = 1 FOR UPDATE;。
• 执行业务逻辑。
• 释放锁：COMMIT。

3 Zookeeper分布式锁

Zookeepe可以实现分布式锁主要是因为多个线程去Zookpeeper中创建同一个节点时，只有一个线程可以创建成功。

Zookeeper中有临时节点，持久化节点。其中临时节点在服务端session失效后，节点就会被删除。相对而言，持久化节点在服务端session失效后，也不会被删除，而是需要客户端主动删除。

在上述类型系节点之后增加一个数字后缀，即路径+数字后缀，这样可以保证其唯一性和有序性。

其分布式锁实现原理如下：

• 创建一个lock目录给分布式锁使用
• 某个线程想要获取锁就在此目录下创建临时顺序节点
• 获取此目录下的所有子节点，然后查找比自己序号小的节点，如果不存在，则当前线程创建的节点是最小节点，此时获得锁。
• 其他线程想要获取锁，同样是创建临时有序节点，如果是最小序号节点则获得锁，否则监听比自己小的次小节点。
• 持有分布式锁的线程操作完成之后，删除自己的临时节点，次大节点监听到变更事件之后，判断自己是最小序号节点的话，则获得锁。

Zookeeper实现分布式锁具有高可用，可重入，阻塞等特点，由于临时节点在客户端断开的时候就会被自动删除，所以不用担心死锁问题。但是频繁删除和创建节点，性能上会比Redis分布式锁低。

4 Redis分布式锁

4.1 SETNX

setnx命令只会在key不存在的情况下将key设置为value值， 其中key和 value值均可以设置成和业务相关的的命名。但是不满足超时释放的要求。

如果使用expire设置过期时间，也有可能在setnx成功后，由于各种原因，expire没有执行成功，从而导致锁不能超时释放。

4.2 SETNX 扩展命令

set key value [EX seconds] [PX milliseconds] [NX|XX]
 #EX 设置过期时间，单位为秒  set lock VALUE EX 10
 #PX 设置过期时间，单位为毫秒 set lock VALUE PX 10000
 #NX key不存在时才设置key的值  set lock VALUE EX 10 NX
 #XX key存在时才设置key SET lock VALUE EX 10 XX

set 扩展命令可以完全取代 SETNX, SETEX, PSETEX 等功能。

可以使用set扩展功能完成设置过期时间, 并且是原子操作。

上述分布式锁也有一些问题：

• 如果线程获取锁之后，执行时间过长，锁提前释放。
• 如果线程A未执行完操作，锁超时释放，此时线程B又获取了锁。线程B持有锁，但是A线程有可能执行DEL操作释放锁。

需要避免在长时间执行的任务中使用上述分布式锁，而且未按时执行完的线程不影响其最终结果。另外可以在锁的value设置一些唯一值，删除key之前验证是否持有锁。并且验证和删除需要使用Lua脚本保证其删除操作的原子性。

上述分布式锁还需要解决一个可重入性的问题。

4.3 Redisson 分布式锁

Redisson是基于Redis的Java内存数据网格，充分利用了Redis键值数据库提供的一系列优势。同时提供功能丰富的分布式锁。

Resisson内部会有一个监控锁的守护线程，在redisson实例被关闭前，不断延长锁的有效期。并且可以自定义超时检查时间间隔，同时还可以指定加锁时间。另外还支持公平锁（Fair Lock），联锁（MultiLock），红锁（RedLock）,读写锁（ReadWriteLock）以及RSemaphore和RCountDownLatch等类似Java提供的各种多线程工具等。

其中RedLock是基于多个Redis集群关联的锁，可以大大提高锁的可用性及安全性。