分布式锁的原理和实现详解

一、基本概念

分布式锁，是单机锁的一种扩展，主要是为了锁住分布式系统中不同机器代码的物理块或逻辑块。以此保证不同机器之间的逻辑一致性。

二、一个简单的案例

对DB写操作的双检锁案例

1. 伪代码如下

   if (可以插入一条数据) {
       lock {
           if (可以插入一条数据) {
               // 插入一条数据
           }
       }
   }

2. 上面代码中的lock如果是单机情况下的锁的话，在一台服务器多线程情况下是没有问题的。但是如果是分布式的情况下，单机的锁只能锁住一台服务器的物理代码块，是无法防住其他机器产生的脏数据的。
3. 分布式情况下这个lock就需要换成分布式锁以保证数据一致性。

三、分布式锁实现原理

所需的依赖

1. 一个拥有强一致性的服务发现存储仓库。（保证数据一致性）
2. 一个具有高可用性的服务发现存储仓库。（保证服务的稳定性）
3. 在这里我们使用etcd作为服务发现存储仓库。

具体实现原理

我们本次所使用的etcd的能力

1. etcd节点的保持独占能力。（同一时间只有一台服务器可以拥有节点）
2. 节点事件监听能力。（可以在节点被释放／占有时通知观察者-服务器）
3. 节点主动释放能力。（服务器可以主动释放拥有节点）
4. 节点超时自动释放能力。（超时自动释放节点）

在代码中，需要准备以下几个内容

1. etcd长监听。（监听etcd节点，在节点变更时作出响应）
2. 事件队列。（存放争夺etcd节点的方法）
3. 争夺锁事件。
4. 等待锁超时事件。（没画在流程图中，在争夺锁事件入队列时注册，持有锁时注销）
5. 持有锁超时事件。（没画在流程图中，在持有锁时注册，在释放锁时注销）
6. 释放锁事件。

基本代码流程图

• 正常代码流程图（markdown画的，有点丑）

  st=>start: 项目启动
  watcher=>operation: 监听etcd
  ed=>end: 等待请求
  
  st->watcher->ed

  st=>start: 开始执行lock
  ed=>end: 结束
  watcher=>operation: 监听etcd
  hasEvent=>condition: 事件队列为空
  pushEvent=>operation: 争夺锁事件 入等待队列
  watcherEvent=>operation: etcd节点超时事件和释放事件
  popEvent=>operation: 争夺锁事件 出事件队列
  execute=>operation: 执行被锁住的代码块
  fight=>condition: 争夺锁失败
  unlock=>operation: 释放锁
  
  st->fight
  fight(no)->execute->unlock->ed
  fight(yes)->pushEvent->watcherEvent->popEvent->fight

• 事件细节伪代码

  1. 准备一个清空所有相关事件的万能方法

     假设eventQueue是这种业务对应的事件队列
     假设fightEvent是该次执行的争夺锁事件
     假设clear为清除超时事件的方法
     假设holdEvent为持有锁超时事件
     假设waitEvent为等待锁超时事件
     假设unLockEvent为释放锁事件
     
     // 清空所有事件 - clearAll
     eventQueue.remove(fightEvent)
     clear(waitEvent)
     clear(holdEvent)

  2. 监听etcd的两个事件

     // 当etcd锁超时事件或etcd主动释放事件发生时
     
     // 争夺锁事件 出事件队列
     fightEvent = eventQueue.pop
     // 执行争夺锁事件
     执行 fightEvent

  3. 争夺锁事件

     // 争夺锁事件
     执行 etcd争夺锁方法
     if (抢到锁了) {
         // 清空所有事件
         执行 clearAll
         // 设置持有锁超时事件
         设置 holdEvent
     } else {
         // 争夺锁事件如果是二次入队列，建议到队列头，而不是到队列尾
         eventQueue.push(fightEvent)
     }

  4. 等待锁超时事件（用时间轮延时执行）

     // 清空所有事件
     执行 clearAll
     // 抛出异常
     throw new Exception

  5. 持有锁超时事件（用时间轮延时执行）

     // 执行释放锁事件
     执行 unLockEvent

  6. 释放锁事件

     // 释放锁事件
     执行 etcd释放锁方法
     // 清空所有事件
     执行 clearAll

• 备注

  以上代码可以用有限状态机设计模式来设计业务

• 图解分布式服务器与etcd集群交互

  1. 项目启动时初始化,服务器A、B、C是一个分布式系统（不考虑哪台为master）
     
  2. 同时发来10个请求,此时经过算法分配假设变成了这样
     
  3. 开始争夺锁时,10个线程同时向etcd争夺锁
     
  4. 假设请求2争夺成功,那么第一次竞争完毕后除了请求2，其他请求都进入了各自的事件队列等待etcd释放锁的通知
     
  5. 当请求2执行完代码块后，向etcd发送释放锁请求
     
  6. etcd收到释放锁请求，将节点删除，触发compareAndDelete事件（释放锁事件）
     
  7. 三台服务器接收到释放锁的信息，各自让事件队列头的请求向etcd发送争夺锁请求
     
  8. 锁抢完后，重复4->6的行为
     

• 补充说明

  1. etcd还有一个功能是控制时序，这样的话就可以将每个请求抢锁的行为控制到只剩一次，业务执行的顺序由etcd控制，不过我没有试过，有兴趣的同学可以试一试。
  2. 之前基于分布式锁的原理还写了一个分布式缓存锁，是通过锁缓存来防止缓存击穿的，有空的时候补上。感谢各位同学看我的文章看到此处。