什么是锁

在多线程的软件世界里，对共享资源的争抢过程(Data Race)就是并发，而对共享资源数据进行访问保护的最直接办法就是引入锁。

POSIX threads(简称Pthreads)是在多核平台上进行并行编程的一套常用的API。线程同步(Thread Synchronization)是并行编程中非常重要的通讯手段，其中最典型的应用就是用Pthreads提供的锁机制(lock)来对多个线程之间共享的临界区(Critical Section)进行保护(另一种常用的同步机制是barrier)。

无锁编程也是一种办法，但它不在本文的讨论范围，并发多线程转为单线程(Disruptor)，函数式编程，锁粒度控制(ConcurrentHashMap桶)，信号量(Semaphore)等手段都可以实现无锁或锁优化。

技术上来说，锁也可以理解成将大量并发请求串行化，但请注意串行化不能简单等同为** 排队，因为这里和现实世界没什么不同，排队意味着大家是公平Fair的领到资源，先到先得，然而很多情况下为了性能考量多线程之间还是会不公平Unfair**的去抢。Java中ReentrantLock可重入锁，提供了公平锁和非公平锁两种实现。

再注意一点，串行也不是意味着只有一个排队的队伍，每次只能进一个。当然可以好多个队伍，每次进入多个。比如餐馆一共10个餐桌，服务员可能一次放行最多10个人进去，有人出来再放行同数量的人进去。Java中Semaphore信号量，相当于同时管理一批锁。

锁的类型

自旋锁（Spin Lock）

自旋锁是一种非阻塞锁，也就是说，如果某线程需要获取自旋锁，但该锁已经被其他线程占用时，该线程不会被挂起，而是在不断的消耗CPU的时间，不停的试图获取自旋锁。

互斥锁 (Mutex Lock)

互斥锁是阻塞锁，当某线程无法获取互斥锁时，该线程会被直接挂起，不再消耗CPU时间，当其他线程释放互斥锁后，操作系统会唤醒那个被挂起的线程。

可重入锁 (Reentrant Lock)

可重入锁是一种特殊的互斥锁，它可以被同一个线程多次获取，而不会产生死锁。

锁举例

本地锁

java环境下可以通过synchronized和lock开实现本地锁。


//synchronized

    public synchronized void demoMethod(){}
    
    public void demoMethod(){
        synchronized (this)
        {
            //other thread safe code
        }
    }

    private final Object lock = new Object();
    public void demoMethod(){
        synchronized (lock)
        {
            //other thread safe code
        }
    }

    public synchronized static void demoMethod(){}

//lock

   private final Lock queueLock = new ReentrantLock();
 
   public void printJob(Object document)
   {
      queueLock.lock();
      try
      {
         Long duration = (long) (Math.random() * 10000);
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": PrintQueue: Printing a Job during " + (duration / 1000) + " seconds :: Time - " + new Date());
         Thread.sleep(duration);
      } catch (InterruptedException e)
      {
         e.printStackTrace();
      } finally
      {
         System.out.printf("%s: The document has been printed\n", Thread.currentThread().getName());
         queueLock.unlock();
      }
   }

锁非静态是锁了对象的实例；锁静态是锁了对象的类型。

一些特性

可重入。如下可以直接进入testWrite方法不用重新申请锁。synchronized和lock都是可重入锁。

    synchronized void testRead(){
        this.testWrite();
    }
    synchronized void testWrite(){}

可中断锁。例如A正在执行锁中的代码，另一线程B正在等待获取该锁如果B可以中断则该锁为可中断锁。synchronized就不是可中断锁，而Lock是可中断锁。
公平锁和非公平锁。以请求锁的顺序来获取锁是公平锁。synchronized是非公平锁，lock默认是非公平锁，但是可以设置为公平锁。

对比

名称	优点	缺点
synchronized	实现简单，语义清晰，便于JVM堆栈跟踪，加锁解锁过程由JVM自动控制，提供了多种优化方案，使用更广泛	悲观的排他锁，不能进行高级功能
lock	可定时的、可轮询的与可中断的锁获取操作，提供了读写锁、公平锁和非公平锁	需手动释放锁unlock，不适合JVM进行堆栈跟踪

分布式锁

使用分布式锁的目的有两个，一个是避免多次执行幂等操作提升效率；一个是避免多个节点同时执行非幂等操作导致数据不一致。
接下来我们来看如何实现分布式锁，在java环境下有三种也即通过数据库，通过redis及通过Zk来实现。

通过数据库实现

通过主键及其他约束使用抛异常来实现分布式锁不在本文讨论范围。一下为基于数据库排他锁来实现分布式锁

/**
     * 超时获取锁
     * @param lockID
     * @param timeOuts
     * @return
     * @throws InterruptedException
     */
    public boolean acquireByUpdate(String lockID, long timeOuts) throws InterruptedException, SQLException {

        String sql = "SELECT id from test_lock where id = ? for UPDATE ";
        long futureTime = System.currentTimeMillis() + timeOuts;
        long ranmain = timeOuts;
        long timerange = 500;
        connection.setAutoCommit(false);
        while (true) {
            CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
            try {
                PreparedStatement statement = connection.prepareStatement(sql);
                statement.setString(1, lockID);
                statement.setInt(2, 1);
                statement.setLong(1, System.currentTimeMillis());
                boolean ifsucess = statement.execute();//如果成功，那么就是获取到了锁
                if (ifsucess)
                    return true;
            } catch (SQLException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            latch.await(timerange, TimeUnit.MILLISECONDS);
            ranmain = futureTime - System.currentTimeMillis();
            if (ranmain <= 0)
                break;
            if (ranmain < timerange) {
                timerange = ranmain;
            }
            continue;
        }
        return false;

    }


    /**
     * 释放锁
     * @param lockID
     * @return
     * @throws SQLException
     */
    public void unlockforUpdtate(String lockID) throws SQLException {
        connection.commit();

    }

通过缓存系统实现

加锁

public class RedisTool {
 
    private static final String LOCK_SUCCESS = "OK";
    private static final String SET_IF_NOT_EXIST = "NX";
    private static final String SET_WITH_EXPIRE_TIME = "PX";
 
    /**
     * 尝试获取分布式锁
     * @param jedis Redis客户端
     * @param lockKey 锁
     * @param requestId 请求标识
     * @param expireTime 超期时间
     * @return 是否获取成功
     */
    public static boolean tryGetDistributedLock(Jedis jedis, String lockKey, String requestId, int expireTime) {
 
        String result = jedis.set(lockKey, requestId, SET_IF_NOT_EXIST, SET_WITH_EXPIRE_TIME, expireTime);
 
        if (LOCK_SUCCESS.equals(result)) {
            return true;
        }
        return false;
 
    }
 
}

第一个为key，我们使用key来当锁，因为key是唯一的。

第二个为value，我们传的是requestId，很多童鞋可能不明白，有key作为锁不就够了吗，为什么还要用到value？原因就是我们在上面讲到可靠性时，分布式锁要满足第四个条件解铃还须系铃人，通过给value赋值为requestId，我们就知道这把锁是哪个请求加的了，在解锁的时候就可以有依据。requestId可以使用UUID.randomUUID().toString()方法生成。

第三个为nxxx，这个参数我们填的是NX，意思是SET IF NOT EXIST，即当key不存在时，我们进行set操作；若key已经存在，则不做任何操作；

第四个为expx，这个参数我们传的是PX，意思是我们要给这个key加一个过期的设置，具体时间由第五个参数决定。

第五个为time，与第四个参数相呼应，代表key的过期时间。

解锁

public class RedisTool {
 
    private static final Long RELEASE_SUCCESS = 1L;
 
    /**
     * 释放分布式锁
     * @param jedis Redis客户端
     * @param lockKey 锁
     * @param requestId 请求标识
     * @return 是否释放成功
     */
    public static boolean releaseDistributedLock(Jedis jedis, String lockKey, String requestId) {
 
        String script = "if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call('del', KEYS[1]) else return 0 end";
        Object result = jedis.eval(script, Collections.singletonList(lockKey), Collections.singletonList(requestId));
 
        if (RELEASE_SUCCESS.equals(result)) {
            return true;
        }
        return false;
 
    }
 
}

第一行代码，我们写了一个简单的Lua脚本代码
第二行代码，我们将Lua代码传到jedis.eval()方法里，并使参数KEYS[1]赋值为lockKey，ARGV[1]赋值为requestId。eval()方法是将Lua代码交给Redis服务端执行。

基于Redlock实现分布式锁的争论见

Redlock

how-to-do-distributed-locking

通过ZK实现

使用[curator]{https://curator.apache.org/}来实现分布式锁。

public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    try {
        return interProcessMutex.acquire(timeout, unit);
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }
    return true;
}
public boolean unlock() {
    try {
        interProcessMutex.release();
    } catch (Throwable e) {
        log.error(e.getMessage(), e);
    } finally {
        executorService.schedule(new Cleaner(client, path), delayTimeForClean, TimeUnit.MILLISECONDS);
    }
    return true;
}

分布式锁对比

方式	优点	缺点
基于DB	直接借助数据库，容易理解	会有各种各样的问题，在解决问题的过程中会使整个方案变得越来越复杂操作数据库需要一定的开销，性能问题需要考虑使用数据库的行级锁并不一定靠谱，尤其是当我们的锁表并不大的时候
基于缓存	性能好，实现起来较为方便	通过超时时间来控制锁的失效时间并不是十分的合理
基于ZK	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	性能上不如使用缓存实现分布式锁。需要对ZK的原理有所了解

结论

zookeeper可靠性比redis强太多，只是效率低了点，如果并发量不是特别大，追求可靠性，首选zookeeper。为了效率，则首选redis实现。

分布式锁

什么是锁

锁的类型

自旋锁（Spin Lock）

互斥锁 (Mutex Lock)

可重入锁 (Reentrant Lock)

锁举例

本地锁

一些特性

对比

分布式锁

通过数据库实现

通过缓存系统实现

通过ZK实现

分布式锁对比

结论

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