Java分布式锁

1.什么是锁？

在单进程的系统中，当存在多个线程可以同时改变某个变量（可变共享变量）时，就需要对变量或代码块做同步，使其在修改这种变量时能够线性执行消除并发修改变量。
而同步的本质是通过锁来实现的。
为了实现多个线程在一个时刻同一个代码块只能有一个线程可执行，那么需要在某个地方做个标记，这个标记必须每个线程都能看到，当标记不存在时可以设置该标记，其余后续线程发现已经有标记了则等待拥有标记的线程结束同步代码块取消标记后再去尝试设置标记。这个标记可以理解为锁。
不同地方实现锁的方式也不一样，只要能满足所有线程都能看得到标记即可。

如 Java 中 synchronize 是在对象头设置标记，Lock 接口的实现类基本上都只是某一个 volitile 修饰的 int 型变量其保证每个线程都能拥有对该 int 的可见性和原子修改，linux 内核中也是利用互斥量或信号量等内存数据做标记。

除了利用内存数据做锁其实任何互斥的都能做锁（只考虑互斥情况），如流水表中流水号与时间结合做幂等校验可以看作是一个不会释放的锁，或者使用某个文件是否存在作为锁等。只需要满足在对标记进行修改能保证原子性和内存可见性即可。

2.什么是分布式？

要了解分布式首先我们要先了解一下CAP理论，即

任何一个分布式系统都无法同时满足一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分区容错性（Partition tolerance），最多只能同时满足两项。

目前很多大型网站及应用都是分布式部署的，分布式场景中的数据一致性问题一直是一个比较重要的话题。
基于 CAP理论，很多系统在设计之初就要对这三者做出取舍。在互联网领域的绝大多数的场景中，都需要牺牲强一致性来换取系统的高可用性，系统往往只需要保证最终一致性。

分布式场景

此处主要指集群模式下，多个相同服务同时开启
在许多的场景中，我们为了保证数据的最终一致性，需要很多的技术方案来支持，比如分布式事务、分布式锁等。
很多时候我们需要保证一个方法在同一时间内只能被同一个线程执行。在单机环境中，通过 Java 提供的并发 API 我们可以解决，但是在分布式环境下，就没有那么简单。
分布式与单机情况下最大的不同在于其不是多线程而是多进程
多线程由于可以共享堆内存，因此可以简单的采取内存作为标记存储位置。
但是进程之间甚至可能都不在同一台物理机上，因此需要将标记存储在一个所有进程都能看到的地方。

如下例：携程、美团、飞猪、去哪儿四个购票网站实际上都没有最终售票权，只有12306铁道总局有火车票，那么四个购票网站都需要购买火车票，那么四个网站必须排队进行同步，否则不同步会造成多售（类似同一进程中多线程间不同步也会造成多售）。这时他们就需要有一个公共的锁管理方案，来保证APP间的购票是同步的。要想购票：
1、首先服务获取分布式

2、服务获取分布式锁后，才能去调用12306进行购票。

3、购票成功后，释放分布式锁，这样其余APP才能获取锁并进行12306购票。

3.什么是分布式锁？

• 当在分布式模型下，数据只有一份（或有限制），此时需要利用锁的技术控制某一时刻修改数据的进程数。
• 与单机模式下的锁不仅需要保证进程可见，还需要考虑进程与锁之间的网络问题。
• 分布式锁还是可以将标记存在内存，只是该内存不是某个进程分配的内存而是公共内存如 Redis、Memcache。至于利用数据库、文件等做锁与单机的实现是一样的，只要保证标记能互斥就行。

4.我们应该怎么设计分布式锁？

我们的这把锁 需要满足以下条件：

• 1.可以保证在分布式部署的应用集群中，同一个方法在同一时间只能被一台机器-上的一个线程执行。
• 2.这把锁要是一把可重入锁（避免死锁）
• 3.这把锁最好是一把阻塞锁（根据业务需求考虑要不要这条）
• 4.这把锁最好是一把公平锁（根据业务需求考虑要不要这条）
• 5.有高可用的获取锁和释放锁功能
• 6.获取锁和释放锁的性能要好

5.基于数据库的分布锁

5.1 基于表主键唯一做分布式锁

基本原理：基于乐观锁

思路：利用主键唯一的特性，如果有多个请求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，那么我们就可以认为操作成功的那个线程获得了该方法的锁，当方法执行完毕之后，想要释放锁的话，删除这条数据库记录即可。
通过这种方式实现分布式锁会出现以下几个问题：

• 这把锁强依赖数据库的可用性，数据库是一个单点，一旦数据库挂掉，会导致业务系统不可用。
• 这把锁没有失效时间，一旦解锁操作失败，就会导致锁记录一直在数据库中，其他线程无法再获得到锁。
• 这把锁只能是非阻塞的，因为数据的 insert操作，一旦插入失败就会直接报错。没有获得锁的线程并不会进入排队队列，要想再次获得锁就要再次触发获得锁操作。
• 这把锁是非重入的，同一个线程在没有释放锁之前无法再次获得该锁。因为数据中数据已经存在了。
• 这把锁是非公平锁，所有等待锁的线程凭运气去争夺锁。
• 在 MySQL 数据库中采用主键冲突防重，在大并发情况下有可能会造成锁表现象。

当然针对以上问题我们也不是没有解决办法

• 数据库是单点？搞两个数据库，数据之前双向同步，一旦挂掉快速切换到备库上。
• 没有失效时间？只要做一个定时任务，每隔一定时间把数据库中的超时数据清理一遍。
• 非阻塞的？搞一个 while 循环，直到 insert 成功再返回成功。
• 非重入的？在数据库表中加个字段，记录当前获得锁的机器的主机信息和线程信息，那么下次再获取锁的时候先查询数据库，如果当前机器的主机信息和线程信息在数据库可以查到的话，直接把锁分配给他就可以了。
• 非公平的？再建一张中间表，将等待锁的线程全记录下来，并根据创建时间排序，只有最先创建的允许获取锁。
• 比较好的办法是在程序中生产主键进行防重。

5.2 基于表字段版本号做分布式锁

基于悲观锁

这个策略源于 mysql 的 mvcc 机制，使用这个策略其实本身没有什么问题，唯一的问题就是对数据表侵入较大，我们要为每个表设计一个版本号字段，然后写一条判断 sql 每次进行判断，增加了数据库操作的次数，在高并发的要求下，对数据库连接的开销也是无法忍受的。
在查询语句后面增加for update，数据库会在查询过程中给数据库表增加排他锁 (注意： InnoDB 引擎在加锁的时候，只有通过索引进行检索的时候才会使用行级锁，否则会使用表级锁。这里我们希望使用行级锁，就要给要执行的方法字段名添加索引，值得注意的是，这个索引一定要创建成唯一索引，否则会出现多个重载方法之间无法同时被访问的问题。重载方法的话建议把参数类型也加上）。当某条记录被加上排他锁之后，其他线程无法再在该行记录上增加排他锁。

我们可以认为获得排他锁的线程即可获得分布式锁，当获取到锁之后，可以执行方法的业务逻辑，执行完方法之后，通过connection.commit()操作来释放锁。
这种方法可以有效的解决上面提到的无法释放锁和阻塞锁的问题。

• 阻塞锁？ for update语句会在执行成功后立即返回，在执行失败时一直处于阻塞状态，直到成功。
• 锁定之后服务宕机，无法释放？使用这种方式，服务宕机之后数据库会自己把锁释放掉。

但是还是无法直接解决数据库单点和可重入问题。
这里还可能存在另外一个问题，虽然我们对方法字段名使用了唯一索引，并且显示使用 for update 来使用行级锁。但是，MySQL 会对查询进行优化，即便在条件中使用了索引字段，但是否使用索引来检索数据是由 MySQL 通过判断不同执行计划的代价来决定的，如果 MySQL 认为全表扫效率更高，比如对一些很小的表，它就不会使用索引，这种情况下 InnoDB 将使用表锁，而不是行锁。如果发生这种情况就悲剧了。

还有一个问题，就是我们要使用排他锁来进行分布式锁的 lock，那么一个排他锁长时间不提交，就会占用数据库连接。一旦类似的连接变得多了，就可能把数据库连接池撑爆。

6.基于 Redis 做分布式锁

基于 REDIS 的 SETNX()、EXPIRE() 方法做分布式锁

• setnx()：setnx 的含义就是 SET if Not Exists，其主要有两个参数 setnx(key, value)。
  该方法是原子的，如果 key 不存在，则设置当前 key 成功，返回 1；如果当前 key 已经存在，则设置当前 key 失败，返回 0。
• expire()：expire 设置过期时间，要注意的是 setnx 命令不能设置 key 的超时时间，只能通过 expire() 来对 key 设置。
  具体如何使用呢？
  1、setnx(lockkey, 1) 如果返回 0，则说明占位失败；如果返回 1，则说明占位成功
  代码如下：

 /**
     * 加锁
     *
     * @param key    redis key
     * @param expire 过期时间，单位秒
     * @return true:加锁成功，false，加锁失败
     */
    public static boolean lock(String key, int expire) {
        long status = redis.setnx(key, "1");
        if (status == 1) {
            redis.expire(key, expire);
            return true;
        }

        return false;
    }

2、expire() 命令对 lockkey 设置超时时间，为的是避免死锁问题。

  private static final int defaultExpire = 60;//默认过期时间
  public static boolean lock(String key) {
        return lock2(key, defaultExpire);
    }

3、执行完业务代码后，可以通过 delete 命令删除 key。

    public static void unLock1(String key) {
        redis.del(key);
    }

这个方案其实是可以解决日常工作中的需求的，但从技术方案的探讨上来说，可能还有一些可以完善的地方。
比如，如果在第一步 setnx 执行成功后，在 expire() 命令执行成功前，发生了宕机的现象，那么就依然会出现死锁的问题，所以如果要对其进行完善的话，可以使用 redis 的 setnx()、get() 和 getset() 方法来实现分布式锁。
针对该方法完整代码如下：

package com.talent.api.utils;

import redis.clients.jedis.Jedis;

//redis分布式锁
public final class RedisLockUtil {

    private static final int defaultExpire = 60;//默认过期时间
    private static final String REMOTEURL = "192.168.1.2";//redis远程连接
    private static Jedis redis = new Jedis(REMOTEURL);//设置远程连接

    private RedisLockUtil() {
        //
    }

    /**
     * 加锁
     *
     * @param key    redis key
     * @param expire 过期时间，单位秒
     * @return true:加锁成功，false，加锁失败
     */
    public static boolean lock(String key, int expire) {
        long status = redis.setnx(key, "1");
        if (status == 1) {
            redis.expire(key, expire);
            return true;
        }

        return false;
    }

    public static boolean lock(String key) {
        return lock2(key, defaultExpire);
    }

    public static void unLock1(String key) {
        redis.del(key);
    }

6.1 基于 REDIS 的 SETNX()、GET()、GETSET()方法做分布式锁

这个方案的背景主要是在 setnx() 和 expire() 的方案上针对可能存在的死锁问题，做了一些优化。
1.getset()：这个命令主要有两个参数 getset(key，newValue)。
该方法是原子的，对 key 设置 newValue 这个值，并且返回 key 原来的旧值。假设 key 原来是不存在的，那么多次执行这个命令，会出现下边的效果：

• getset(key, “value1”) 返回 null 此时 key 的值会被设置为 value1
• getset(key, “value2”) 返回 value1 此时 key 的值会被设置为 value2
• 依次类推！

使用步骤：

• setnx(lockkey, 当前时间+过期超时时间)，如果返回 1，则获取锁成功；如果返回 0 则没有获取到锁，转向 2。
  

• get(lockkey) 获取值 oldExpireTime ，并将这个 value 值与当前的系统时间进行比较，如果小于当前系统时间，则认为这个锁已经超时，可以允许别的请求重新获取，转向 3。
  

• 计算 newExpireTime = 当前时间+过期超时时间，然后 getset(lockkey, newExpireTime) 会返回当前 lockkey 的值currentExpireTime。

• 判断 currentExpireTime 与 oldExpireTime 是否相等，如果相等，说明当前 getset 设置成功，获取到了锁。如果不相等，说明这个锁又被别的请求获取走了，那么当前请求可以直接返回失败，或者继续重试。
  

• 在获取到锁之后，当前线程可以开始自己的业务处理，当处理完毕后，比较自己的处理时间和对于锁设置的超时时间，如果小于锁设置的超时时间，则直接执行 delete 释放锁；如果大于锁设置的超时时间，则不需要再锁进行处理。

    public static void unLock2(String key) {
        long oldExpireTime = Long.parseLong(redis.get(key));
        if (oldExpireTime > System.currentTimeMillis()) {
            redis.del(key);
        }
    }

完整代码如下：

package com.talent.api.utils;

import redis.clients.jedis.Jedis;

//redis分布式锁
public final class RedisLockUtil {

    private static final int defaultExpire = 60;//默认过期时间
    private static final String REMOTEURL = "192.168.1.2";//redis远程连接
    private static Jedis redis = new Jedis(REMOTEURL);//设置远程连接

    private RedisLockUtil() {
        //
    }

    /**
     * 加锁
     *
     * @param key    redis key
     * @param expire 过期时间，单位秒
     * @return true:加锁成功，false，加锁失败
     */
    public static boolean lock(String key, int expire) {
        long status = redis.setnx(key, "1");
        if (status == 1) {
            redis.expire(key, expire);
            return true;
        }

        return false;
    }

    public static boolean lock(String key) {
        return lock2(key, defaultExpire);
    }

    /**
     * 加锁
     *
     * @param key    redis key
     * @param expire 过期时间，单位秒
     * @return true:加锁成功，false，加锁失败
     */
    public static boolean lock2(String key, int expire) {
        long value = System.currentTimeMillis() + expire;
        long status = redis.setnx(key, String.valueOf(value));

        if (status == 1) {
            return true;
        }
        long oldExpireTime = Long.parseLong(redis.get(key));
        if (oldExpireTime < System.currentTimeMillis()) {
            //超时
            long newExpireTime = System.currentTimeMillis() + expire;
            long currentExpireTime = Long.parseLong(redis.getSet(key, String.valueOf(newExpireTime)));
            if (currentExpireTime == oldExpireTime) {
                return true;
            }
        }
        return false;
    }
    public static void unLock1(String key) {
        redis.del(key);
    }
    public static void unLock2(String key) {
        long oldExpireTime = Long.parseLong(redis.get(key));
        if (oldExpireTime > System.currentTimeMillis()) {
            redis.del(key);
        }
    }

}

接下来我们通过一个领红包的场景来实现加锁和释放锁

public void drawRedPacket(long userId) {
        RedisLockUtil redisLockUtil = new RedisLockUtil();
        String key = "draw.redpacket.userid:" + userId;//每个用户均使用自己的id作为锁的标识

        boolean lock = RedisLockUtil.lock2(key, 60);//默认60失效
        if (lock) {
            try {
                //执行领红包操作
                System.out.println("红包领取成功");
            } finally {
                //释放锁
                redisLockUtil.unLock2(key);
            }
        } else {
            new RuntimeException("重复领取奖励");
        }
    }

7.基于 REDLOCK 做分布式锁

多节点redis实现的分布式锁算法(RedLock):有效防止单点故障
Redlock 是 Redis 的作者 antirez 给出的集群模式的 Redis 分布式锁，它基于 N 个完全独立的 Redis 节点（通常情况下 N 可以设置成 5）。
算法的步骤如下：
假设有5个完全独立的redis主服务器

• 1.获取当前时间戳

• 2.client尝试按照顺序使用相同的key,value获取所有redis服务的锁，在获取锁的过程中的获取时间比锁过期时间短很多，这是为了不要过长时间等待已经关闭的redis服务。并且试着获取下一个redis实例。
  比如：TTL(Time To Live 中文为：生存时间值,该字段指定IP包被路由器丢弃之前允许通过的最大网段数量，简单理解就是过期时间)为5s,设置获取锁最多用1s，所以如果一秒内无法获取锁，就放弃获取这个锁，从而尝试获取下个锁

• 3.client通过获取所有能获取的锁后的时间减去第一步的时间，这个时间差要小于TTL时间并且至少有3个redis实例成功获取锁，才算真正的获取锁成功

• 4.如果成功获取锁，则锁的真正有效时间是 TTL减去第三步的时间差 的时间；比如：TTL 是5s,获取所有锁用了2s,则真正锁有效时间为3s(其实应该再减去时钟漂移);

• 5.如果客户端由于某些原因获取锁失败，便会开始解锁所有redis实例；因为可能已经获取了小于3个锁，必须释放，否则影响其他client获取锁

算法示意图如下：

使用 Redlock 算法，可以保证在挂掉最多 2 个节点的时候，分布式锁服务仍然能工作，这相比之前的数据库锁和缓存锁大大提高了可用性，由于 redis 的高效性能，分布式缓存锁性能并不比数据库锁差。

7.1 RedLock算法是否是异步算法？

可以看成是同步算法；因为 即使进程间（多个电脑间）没有同步时钟，但是每个进程时间流速大致相同；并且时钟漂移相对于TTL叫小，可以忽略，所以可以看成同步算法；（不够严谨，算法上要算上时钟漂移，因为如果两个电脑在地球两端，则时钟漂移非常大）

7.2 RedLock失败重试

当client不能获取锁时，应该在随机时间后重试获取锁；并且最好在同一时刻并发的把set命令发送给所有redis实例；而且对于已经获取锁的client在完成任务后要及时释放锁，这是为了节省时间；

7.3 RedLock释放锁

由于释放锁时会判断这个锁的value是不是自己设置的，如果是才删除；所以在释放锁时非常简单，只要向所有实例都发出释放锁的命令，不用考虑能否成功释放锁；

7.4 RedLock注意点

1.先假设client获取所有实例，所有实例包含相同的key和过期时间(TTL) ,但每个实例set命令时间不同导致不能同时过期，第一个set命令之前是T1,最后一个set命令后为T2,则此client有效获取锁的最小时间为TTL-(T2-T1)-时钟漂移;

2.对于以N/2+ 1(也就是一半以 上)的方式判断获取锁成功，是因为如果小于一半判断为成功的话，有可能出现多个client都成功获取锁的情况， 从而使锁失效

3.一个client锁定大多数事例耗费的时间大于或接近锁的过期时间，就认为锁无效，并且解锁这个redis实例(不执行业务) ;只要在TTL时间内成功获取一半以上的锁便是有效锁;否则无效

7.5 RedLock性能及崩溃恢复的相关解决方法

1.如果redis没有持久化功能，在clientA获取锁成功后，所有redis重启，clientB能够再次获取到锁，这样违法了锁的排他互斥性;

2.如果启动AOF永久化存储，事情会好些， 举例:当我们重启redis后，由于redis过期机制是按照unix时间戳走的，所以在重启后，然后会按照规定的时间过期，不影响业务;但是由于AOF同步到磁盘的方式默认是每秒-次，如果在一秒内断电，会导致数据丢失，立即重启会造成锁互斥性失效;但如果同步磁盘方式使用Always(每一个写命令都同步到硬盘)造成性能急剧下降;所以在锁完全有效性和性能方面要有所取舍;

3.有效解决既保证锁完全有效性及性能高效及即使断电情况的方法是redis同步到磁盘方式保持默认的每秒，在redis无论因为什么原因停掉后要等待TTL时间后再重启(学名:延迟重启) ;缺点是 在TTL时间内服务相当于暂停状态;

8.基于 REDISSON 做分布式锁

8.1 添加maven依赖

<dependency>
    <groupId>org.redissongroupId>
    <artifactId>redissonartifactId>
    <version>3.8.2version>
dependency>

8.2 用法:

package com.example.lock.utils;

import org.redisson.Redisson;
import org.redisson.api.RLock;
import org.redisson.api.RedissonClient;
import org.redisson.config.Config;

public class RedSession {
    public void test() {
        Config config = new Config();
        config.useClusterServers()
                .setScanInterval(2000) // cluster state scan interval in milliseconds
                .addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7000", "redis://127.0.0.1:7001")
                .addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7002");

        RedissonClient redisson = Redisson.create(config);

        RLock lock = redisson.getLock("anyLock");

        lock.lock();

        try {
            System.out.println("线程已经加锁");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

通过上面这段代码，我们看一下Redisson是如何基于Redis实现分布式锁的

8.3 原理解释

加锁

Redisson中提供的加锁的方法有很多，但大致类似，此处只看lock()方法

可以看到，调用getLock()方法后实际返回一个RedissonLock对象，在RedissonLock对象的lock()方法主要调用tryAcquire()方法

由于leaseTime == -1，于是走tryLockInnerAsync()方法，这个方法才是关键
首先，看一下evalWriteAsync方法的定义
RFuture evalWriteAsync(String key, Codec codec, RedisCommand evalCommandType, String script, List keys, Object … params);
最后两个参数分别是keys和params

evalWriteAsync具体如何调用的呢？

commandExecutor.evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, command,
                  "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then " +
                      "redis.call('hset', KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
                      "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +
                      "return nil; " +
                  "end; " +
                  "if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then " +
                      "redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1); " +
                      "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +
                      "return nil; " +
                  "end; " +
                  "return redis.call('pttl', KEYS[1]);",
                    Collections.<Object>singletonList(getName()), internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));

结合上面的参数声明，我们可以知道，这里KEYS[1]就是getName()，ARGV[2]是getLockName(threadId)

假设前面获取锁时传的name是“abc”，假设调用的线程ID是Thread-1，假设成员变量UUID类型的id是6f0829ed-bfd3-4e6f-bba3-6f3d66cd176c

那么KEYS[1]=abc，ARGV[2]=6f0829ed-bfd3-4e6f-bba3-6f3d66cd176c:Thread-1

因此，这段代码想表达什么呢？

1、判断有没有一个叫“abc”的key

2、如果没有，则在其下设置一个字段为“6f0829ed-bfd3-4e6f-bba3-6f3d66cd176c:Thread-1”，值为“1”的键值对 ，并设置它的过期时间

3、如果存在，则进一步判断“6f0829ed-bfd3-4e6f-bba3-6f3d66cd176c:Thread-1”是否存在，若存在，则其值加1，并重新设置过期时间

4、返回“abc”的生存时间（毫秒）

这里用的数据结构是hash，hash的结构是： key 字段1 值1 字段2 值2 。。。

用在锁这个场景下，key就表示锁的名称，也可以理解为临界资源，字段就表示当前获得锁的线程

所有竞争这把锁的线程都要判断在这个key下有没有自己线程的字段，如果没有则不能获得锁，如果有，则相当于重入，字段值加1（次数）
算法原理如下图所示：

解锁

protected RFuture<Boolean> unlockInnerAsync(long threadId) {
    return commandExecutor.evalWriteAsync(getName(), LongCodec.INSTANCE, RedisCommands.EVAL_BOOLEAN,
            "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then " +
                "redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); " +
                "return 1; " +
            "end;" +
            "if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[3]) == 0) then " +
                "return nil;" +
            "end; " +
            "local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[3], -1); " +
            "if (counter > 0) then " +
                "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[2]); " +
                "return 0; " +
            "else " +
                "redis.call('del', KEYS[1]); " +
                "redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); " +
                "return 1; "+
            "end; " +
            "return nil;",
            Arrays.<Object>asList(getName(), getChannelName()), LockPubSub.unlockMessage, internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));

}

我们还是假设name=abc，假设线程ID是Thread-1

同理，我们可以知道

KEYS[1]是getName()，即KEYS[1]=abc

KEYS[2]是getChannelName()，即KEYS[2]=redisson_lock__channel:{abc}

ARGV[1]是LockPubSub.unlockMessage，即ARGV[1]=0

ARGV[2]是生存时间

ARGV[3]是getLockName(threadId)，即ARGV[3]=6f0829ed-bfd3-4e6f-bba3-6f3d66cd176c:Thread-1

因此，上面脚本的意思是：

1、判断是否存在一个叫“abc”的key

2、如果不存在，向Channel中广播一条消息，广播的内容是0，并返回1

3、如果存在，进一步判断字段6f0829ed-bfd3-4e6f-bba3-6f3d66cd176c:Thread-1是否存在

4、若字段不存在，返回空，若字段存在，则字段值减1

5、若减完以后，字段值仍大于0，则返回0

6、减完后，若字段值小于或等于0，则广播一条消息，广播内容是0，并返回1；

可以猜测，广播0表示资源可用，即通知那些等待获取锁的线程现在可以获得锁了

等待

上面的加锁，解锁均是 可以获取到锁资源的情况，那么当无法立即获取锁资源时，就需要等待

@Override
public void lockInterruptibly(long leaseTime, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    long threadId = Thread.currentThread().getId();
    Long ttl = tryAcquire(leaseTime, unit, threadId);
    // lock acquired
    if (ttl == null) {
        return;
    }

    //    订阅
    RFuture<RedissonLockEntry> future = subscribe(threadId);
    commandExecutor.syncSubscription(future);

    try {
        while (true) {
            ttl = tryAcquire(leaseTime, unit, threadId);
            // lock acquired
            if (ttl == null) {
                break;
            }

            // waiting for message
            if (ttl >= 0) {
                getEntry(threadId).getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);
            } else {
                getEntry(threadId).getLatch().acquire();
            }
        }
    } finally {
        unsubscribe(future, threadId);
    }
//        get(lockAsync(leaseTime, unit));
}


protected static final LockPubSub PUBSUB = new LockPubSub();

protected RFuture<RedissonLockEntry> subscribe(long threadId) {
    return PUBSUB.subscribe(getEntryName(), getChannelName(), commandExecutor.getConnectionManager().getSubscribeService());
}

protected void unsubscribe(RFuture<RedissonLockEntry> future, long threadId) {
    PUBSUB.unsubscribe(future.getNow(), getEntryName(), getChannelName(), commandExecutor.getConnectionManager().getSubscribeService());
}

这里会订阅Channel，当资源可用时可以及时知道，并抢占，防止无效的轮询而浪费资源

当资源可用用的时候，循环去尝试获取锁，由于多个线程同时去竞争资源，所以这里用了信号量，对于同一个资源只允许一个线程获得锁，其它的线程阻塞

9.基于 ZooKeeper 做分布式锁

9.1 为什么要选择zookeeper

1、基于mysql实现分布式锁
基于分布式锁的实现，首先肯定是想单独分离出一台mysql数据库，所有服务要想操作文件（共享资源），那么必须先在mysql数据库中插入一个标志，插入标志的服务就持有了锁，并对文件进行操作，操作完成后，主动删除标志进行锁释放，其与服务会一直查询数据库，看是否标志有被占用，直到没有标志占用时自己才能写入标志获取锁。

但是这样有这么一个问题，如果服务（jvm1）宕机或者卡顿了，会一直持有锁未释放，这样就造成了死锁，因此就需要有一个监视锁进程时刻监视锁的状态，如果超过一定时间未释放就要进行主动清理锁标记，然后供其与服务继续获取锁。

如果监视锁字段进程和jvm1同时挂掉，依旧不能解决死锁问题，于是又增加一个监视锁字段进程，这样一个进程挂掉，还有另一个监视锁字段进程可以对锁进行管理。这样又诞生一个新的问题，两个监视进程必须进行同步，否则对于过期的情况管理存在不一致问题。

因此存在以下问题，并且方案变得很复杂：

1、监视锁字段进程对于锁的监视时间周期过短，仍旧会造成多售（jvm1还没处理完其持有的锁就被主动销毁，造成多个服务同时持有锁进行操作）。

2、监视锁字段进程对于锁的监视时间周期过长，会造成整个服务卡顿过长，吞吐低下。

3、监视锁字段进程间的同步问题。

4、当一个jvm持有锁的时候，其余服务会一直访问数据库查看锁，会造成其余jvm的资源浪费。

2、基于Redis实现分布式锁
相比较于基于数据库实现分布式锁的方案来说，基于缓存来实现在性能方面会表现的更好一点，Redis就是其中一种。由于Redis可以设置字段的有效期，因此可以实现自动释放超期的锁，不需要多个监视锁字段进程进行锁守护，可以依旧存在上述mysql实现中除了3以外1、2、4中的问题。
3、基于Zookeeper实现分布式锁
基于以上两种实现方式，有了基于zookeeper实现分布式锁的方案。由于zookeeper有以下特点：

1️⃣维护了一个有层次的数据节点，类似文件系统。

2️⃣有以下数据节点：临时节点、持久节点、临时有序节点(分布式锁实现基于的数据节点)、持久有序节点。

3️⃣zookeeper可以和client客户端通过心跳的机制保持长连接，如果客户端链接zookeeper创建了一个临时节点，那么这个客户端与zookeeper断开连接后会自动删除。

4️⃣zookeeper的节点上可以注册上用户事件(自定义)，如果节点数据删除等事件都可以触发自定义事件。

5️⃣zookeeper保持了统一视图，各服务对于状态信息获取满足一致性。

Zookeeper的每一个节点，都是一个天然的顺序发号器。

在每一个节点下面创建子节点时，只要选择的创建类型是有序（EPHEMERAL_SEQUENTIAL 临时有序或者PERSISTENT_SEQUENTIAL 永久有序）类型，那么，新的子节点后面，会加上一个次序编号。这个次序编号，是上一个生成的次序编号加一

比如，创建一个用于发号的节点“/test/lock”，然后以他为父亲节点，可以在这个父节点下面创建相同前缀的子节点，假定相同的前缀为“/test/lock/seq-”，在创建子节点时，同时指明是有序类型。如果是第一个创建的子节点，那么生成的子节点为/test/lock/seq-0000000000，下一个节点则为/test/lock/seq-0000000001，依次类推，等等。

9.2 如何使用zookeeper实现分布锁

大致思想为：每个客户端对某个方法加锁时，在 Zookeeper 上与该方法对应的指定节点的目录下，生成一个唯一的临时有序节点。
判断是否获取锁的方式很简单，只需要判断有序节点中序号最小的一个。 当释放锁的时候，只需将这个临时节点删除即可。同时，其可以避免服务宕机导致的锁无法释放，而产生的死锁问题。

排它锁

排他锁，又称写锁或独占锁。如果事务T1对数据对象O1加上了排他锁，那么在整个加锁期间，只允许事务T1对O1进行读取或更新操作，其他任务事务都不能对这个数据对象进行任何操作，直到T1释放了排他锁。

排他锁核心是保证当前有且仅有一个事务获得锁，并且锁释放之后，所有正在等待获取锁的事务都能够被通知到。

Zookeeper 的强一致性特性，能够很好地保证在分布式高并发情况下节点的创建一定能够保证全局唯一性，即Zookeeper将会保证客户端无法重复创建一个已经存在的数据节点。可以利用Zookeeper这个特性，实现排他锁。

1️⃣定义锁：通过Zookeeper上的数据节点来表示一个锁
2️⃣获取锁：客户端通过调用 create 方法创建表示锁的临时节点，可以认为创建成功的客户端获得了锁，同时可以让没有获得锁的节点在该节点上注册Watcher监听，以便实时监听到lock节点的变更情况
3️⃣释放锁：以下两种情况都可以让锁释放
当前获得锁的客户端发生宕机或异常，那么Zookeeper上这个临时节点就会被删除
正常执行完业务逻辑，客户端主动删除自己创建的临时节点
基于Zookeeper实现排他锁流程：

共享锁

共享锁，又称读锁。如果事务T1对数据对象O1加上了共享锁，那么当前事务只能对O1进行读取操作，其他事务也只能对这个数据对象加共享锁，直到该数据对象上的所有共享锁都被释放。

共享锁与排他锁的区别在于，加了排他锁之后，数据对象只对当前事务可见，而加了共享锁之后，数据对象对所有事务都可见。

1️⃣定义锁：通过Zookeeper上的数据节点来表示一个锁，是一个类似于 /lockpath/[hostname]-请求类型-序号 的临时顺序节点
2️⃣获取锁：客户端通过调用 create 方法创建表示锁的临时顺序节点，如果是读请求，则创建 /lockpath/[hostname]-R-序号 节点，如果是写请求则创建 /lockpath/[hostname]-W-序号节点
3️⃣判断读写顺序：大概分为4个步骤

• 1)创建完节点后，获取 /lockpath 节点下的所有子节点，并对该节点注册子节点变更的Watcher监听
• 2)确定自己的节点序号在所有子节点中的顺序
• 3.1)对于读请求：1. 如果没有比自己序号更小的子节点，或者比自己序号小的子节点都是读请求，那么表明自己已经成功获取到了共享锁，同时开始执行读取逻辑 2. 如果有比自己序号小的子节点有写请求，那么等待
• 3.2)对于写请求，如果自己不是序号最小的节点，那么等待
• 4)接收到Watcher通知后，重复步骤1)

4️⃣释放锁：与排他锁逻辑一致

羊群效应

在实现共享锁的 “判断读写顺序” 的第1个步骤是：创建完节点后，获取 /lockpath 节点下的所有子节点，并对该节点注册子节点变更的Watcher监听。这样的话，任何一次客户端移除共享锁之后，Zookeeper将会发送子节点变更的Watcher通知给所有机器，系统中将有大量的 “Watcher通知” 和 “子节点列表获取” 这个操作重复执行，然后所有节点再判断自己是否是序号最小的节点(写请求)或者判断比自己序号小的子节点是否都是读请求(读请求)，从而继续等待下一次通知。

然而，这些重复操作很多都是 “无用的”，实际上每个锁竞争者只需要关注序号比自己小的那个节点是否存在即可。

当集群规模比较大时，这些 “无用的” 操作不仅会对Zookeeper造成巨大的性能影响和网络冲击，更为严重的是，如果同一时间有多个客户端释放了共享锁，Zookeeper服务器就会在短时间内向其余客户端发送大量的事件通知–这就是所谓的 “羊群效应”。

改进分布锁的实现

改进后的分布式锁实现：

• 1.客户端调用 create 方法创建一个类似于 /lockpath/[hostname]-请求类型-序号 的临时顺序节点。
• 2.客户端调用 getChildren 方法获取所有已经创建的子节点列表(这里不注册任何Watcher)。
• 3.如果无法获取任何共享锁，那么调用 exist 来对比自己小的那个节点注册Watcher
  读请求：向比自己序号小的最后一个写请求节点注册Watcher监听
  写请求：向比自己序号小的最后一个节点注册Watcher监听
• 4.等待Watcher监听，继续进入步骤2

Zookeeper羊群效应改进前后Watcher监听图：

ZOOKEEPER 锁相关基础知识

• zk 一般由多个节点构成（单数），采用 zab 一致性协议。因此可以将 zk 看成一个单点结构，对其修改数据其内部自动将所有节点数据进行修改而后才提供查询服务。

• zk 的数据以目录树的形式，每个目录称为 znode， znode 中可存储数据（一般不超过 1M），还可以在其中增加子节点。

• 子节点有三种类型。序列化节点，每在该节点下增加一个节点自动给该节点的名称上自增。临时节点，一旦创建这个 znode 的客户端与服务器失去联系，这个 znode 也将自动删除。最后就是普通节点。

• Watch 机制，client 可以监控每个节点的变化，当产生变化会给 client 产生一个事件。

ZK 基本锁

• 原理：利用临时节点与 watch 机制。每个锁占用一个普通节点 /lock，当需要获取锁时在 /lock 目录下创建一个临时节点，创建成功则表示获取锁成功，失败则 watch/lock 节点，有删除操作后再去争锁。临时节点好处在于当进程挂掉后能自动上锁的节点自动删除即取消锁。

• 缺点：所有取锁失败的进程都监听父节点，很容易发生羊群效应，即当释放锁后所有等待进程一起来创建节点，并发量很大。

ZK 锁优化

• 原理：上锁改为创建临时有序节点，每个上锁的节点均能创建节点成功，只是其序号不同。只有序号最小的可以拥有锁，如果这个节点序号不是最小的则 watch 序号比本身小的前一个节点 (公平锁)。

• 步骤：

1.在 /lock 节点下创建一个有序临时节点 (EPHEMERAL_SEQUENTIAL)。
2.判断创建的节点序号是否最小，如果是最小则获取锁成功。不是则取锁失败，然后 watch 序号比本身小的前一个节点。
3.当取锁失败，设置 watch 后则等待 watch 事件到来后，再次判断是否序号最小。
4.取锁成功则执行代码，最后释放锁（删除该节点）。

代码实现

• 1.添加maven依赖

   
        <dependency>
            <groupId>org.apache.zookeepergroupId>
            <artifactId>zookeeperartifactId>
            <version>3.7.0version>
        dependency>

• 2.代码实现 如下：

import org.apache.zookeeper.*;
import org.apache.zookeeper.data.Stat;

import java.io.IOException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;

/**
 * 基于zookeeper的分布式锁
 */
public class DistributedLock implements Lock, Watcher {
    private ZooKeeper zk = null;
    // 根节点
    private String ROOT_LOCK = "/lock_msb";
    // 竞争的资源
    private String lockName;
    // 等待的前一个锁
    private String WAIT_LOCK;
    // 当前锁
    private String CURRENT_LOCK;
    // 计数器
    private CountDownLatch countDownLatch;
    private int sessionTimeout = 3000000;
    private List<Exception> exceptionList = new ArrayList<Exception>();

    /**
     * 配置分布式锁
     *
     * @param config   连接的url
     * @param lockName 竞争资源
     */
    public DistributedLock(String config, String lockName) {
        this.lockName = lockName;
        try {
            // 连接zookeeper
            zk = new ZooKeeper(config, sessionTimeout, this);
            Stat stat = zk.exists(ROOT_LOCK, false);
            if (stat == null) {
                // 如果根节点不存在，则创建根节点
                zk.create(ROOT_LOCK, new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (KeeperException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    // 节点监视器
    public void process(WatchedEvent event) {
        if (this.countDownLatch != null) {
            this.countDownLatch.countDown();
        }
    }

    public void lock() {
        if (exceptionList.size() > 0) {
            throw new LockException(exceptionList.get(0));
        }
        try {
            if (this.tryLock()) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + lockName + "获得了锁");
                return;
            } else {
                // 等待锁
                waitForLock(WAIT_LOCK, sessionTimeout);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (KeeperException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public boolean tryLock() {
        try {
            String splitStr = "_lock_";
            if (lockName.contains(splitStr)) {
                throw new LockException("锁名有误");
            }
            // 创建临时有序节点
            CURRENT_LOCK = zk.create(ROOT_LOCK + "/" + lockName + splitStr, new byte[0],
                    ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
            System.out.println(CURRENT_LOCK + " 已经创建");
            // 取所有子节点
            List<String> subNodes = zk.getChildren(ROOT_LOCK, false);
            // 取出所有lockName的锁
            List<String> lockObjects = new ArrayList<String>();
            for (String node : subNodes) {
                String _node = node.split(splitStr)[0];
                if (_node.equals(lockName)) {
                    lockObjects.add(node);
                }
            }
            Collections.sort(lockObjects);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 的锁是 " + CURRENT_LOCK);
            // 若当前节点为最小节点，则获取锁成功
            if (CURRENT_LOCK.equals(ROOT_LOCK + "/" + lockObjects.get(0))) {
                return true;
            }

            // 若不是最小节点，则找到自己的前一个节点
            String prevNode = CURRENT_LOCK.substring(CURRENT_LOCK.lastIndexOf("/") + 1);
            WAIT_LOCK = lockObjects.get(Collections.binarySearch(lockObjects, prevNode) - 1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (KeeperException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return false;
    }

    public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) {
        try {
            if (this.tryLock()) {
                return true;
            }
            return waitForLock(WAIT_LOCK, timeout);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return false;
    }

    // 等待锁
    private boolean waitForLock(String prev, long waitTime) throws KeeperException, InterruptedException {
        Stat stat = zk.exists(ROOT_LOCK + "/" + prev, true);

        if (stat != null) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等待锁 " + ROOT_LOCK + "/" + prev);
            this.countDownLatch = new CountDownLatch(1);
            // 计数等待，若等到前一个节点消失，则precess中进行countDown，停止等待，获取锁
            this.countDownLatch.await(waitTime, TimeUnit.MILLISECONDS);
            this.countDownLatch = null;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 等到了锁");
        }
        return true;
    }

    public void unlock() {
        try {
            System.out.println("释放锁 " + CURRENT_LOCK);
            zk.delete(CURRENT_LOCK, -1);
            CURRENT_LOCK = null;
            zk.close();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (KeeperException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public Condition newCondition() {
        return null;
    }

    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        this.lock();
    }


    public class LockException extends RuntimeException {
        private static final long serialVersionUID = 1L;

        public LockException(String e) {
            super(e);
        }

        public LockException(Exception e) {
            super(e);
        }
    }
}

• 3.测试

import java.util.concurrent.locks.Lock;

public class ZooKeeperTest {
    //100张票
    private Integer n = 100;
//    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public void printInfo() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() +
                "正在运行,剩余余票:" + --n);
    }

    public class TicketThread implements Runnable {
        public void run() {
            Lock lock = new DistributedLock("127.0.0.1:2181,192.168.1.105:2181", "zk");
            lock.lock();
            try {
                if (n > 0) {
                    printInfo();
                }
            }finally{
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    public void ticketStart() {
        TicketThread thread = new TicketThread();
        for (int i = 0; i < 30; i++) {
            Thread t = new Thread(thread, "mem" + i);
            t.start();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new ZooKeeperTest().ticketStart();
    }
}

优缺点

• 优点：有效的解决单点问题，不可重入问题，非阻塞问题以及锁无法释放的问题。实现起来较为简单。

• 缺点：性能上可能并没有缓存服务那么高，因为每次在创建锁和释放锁的过程中，都要动态创建、销毁临时节点来实现锁功能。ZK 中创建和删除节点只能通过 Leader 服务器来执行，然后将数据同步到所有的 Follower 机器上。还需要对 ZK的原理有所了解。

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