分布式锁的原理解析与实现工具介绍

锁与IPC

常见的锁：互斥锁、自旋锁、原子变量、读写锁、条件变量、信号量。

IPC（进程间通信的方式）：pipe、FIFO、信号量、消息队列、共性内存、socket、信号。

（拓展）虚假唤醒解决：把pthread_cond_wait放在while循环体里面，循环里判断condition是否满足。由此还能解决信号劫持的问题，比如线程池里只有一个任务，但是signal唤醒了多个消费者线程，于是需要加入判断，只能有一个线程得到满足。

分布式锁

分布式锁：在分布式场景中使用的锁。操作系统并没有提供分布式锁，只能由用户自行实现。这个锁是抽象的锁，并不是真正的锁。

分布式场景：执行程序、存储等分布在多个节点（节点通常是独立的计算机或设备等）的场景。

分布式场景的特点：执行体分布在不同的节点上，一个节点至少是一个进程。

分布式场景与锁简化模型：

如图，如果s1\s2\s3\s4都想去操作DB（数据库），但是DB同一时间最多只允许一个节点操作，那么需要设置一个锁（lock）放在s1\s2\s3\s4均能取到的地方（比如数据库，有可能和要操作的数据库放在了一起，不过在不同的表里），谁能拿到锁谁就能去操作数据。

分布式锁的构成：资源+行为。

资源：是获取到锁的节点的id（比如s1的id）。

行为：加锁和解锁，分布式场景中加锁和解锁的方式都通过网络通信的方式实现。

加锁：原来没有标记，获取到锁之后打上标记。

解锁：持锁方取出标记。

特性：

锁超时：对持锁方能持有锁的最长时间有限制，如果持锁方崩坏，不至于让其他节点也获取不到资源。

可用性和容错性其实差不多，只不过容错性更侧重数据一致性，可用性更侧重共享节点崩坏的处理。

分布式锁的类型：

重入锁：允许线程多次持有锁。

公平锁：对应互斥锁。拿不到互斥锁的线程进入阻塞态，id进入阻塞队列。

非公平锁：对应自旋锁。拿不到自旋锁的线程进入阻塞态，但是忙等待。

分布式锁的实现工具

需要基于中间件来实现，资源存储在中间件当中，加锁解锁行为基于中间件的特性来实现。

以下分别以mysql和redis为例来实现分布式锁。

用mysql实现分布式锁

首先需要建立在mysql数据库里建立用于存储锁的table，加锁的时候还要记录加锁的时间，因此设置了一个字段记录锁建立的时间。锁类型唯一，说明只能被获取一次，注意：这里的锁类型不是互斥锁、自旋锁等，而是活动1的锁、活动2的锁等。

用户节点加锁。用户节点会将以下sql语句发送到mysql数据库进行加锁操作，如果有多个用户节点，那么先发送到的节点先获取到锁，后发送到的节点会获得操作失败的信息。因为lock_type唯一，因此只有一个节点能获取到锁，获取到锁的时候数据还有记录获取到了锁的owner_id。。

用户节点解锁。解锁的时候owner_id要和之前加锁的时候的记录匹配才能解锁。

其他想获取锁但是没能获取到锁的用户节点，只能每隔一段尝试向mysql去获取一次（因为mysql不会主动通知解锁操作），看看有没有解锁。因此mysql只能实现非公平锁。

Mysql还存在锁超时问题解决，即多起一个进程去检测锁从更新时间已经过了多久了，超时了就解锁。

因此我们发现mysql实现分布式锁有这些缺点：

1. mysql分布式锁没有可用性。但mysql节点发生了故障，整个分布式系统就会失效。
2. 消耗资源较多。要实现锁超时操作需要另开进程。
3. 效率不高。其他用户节点需要不断轮询看看mysql是否解锁了，mysql‘节点不会主动发起通知。
4. 功能有限。只能是新非公平锁。

用redis实现分布式锁

Redis的特性：

1. 内存数据库。它将数据存储在内存中而不是磁盘中。
2. 数据结构数据库。 Redis是一种键值对存储，键一般使用字符串（不绝对）类型，值可以是字符串、哈希表、列表、集合、有序集合等各种类型。

因为redis是一句数据库，启动了之后，会进入redis服务器的运行态，在这上面可以数据redis的操作命令，redis有自己的原语操作命令。

Redis收到以下命令，说明在完成相应的锁操作：

Setnx lock1 user1：用户1尝试抢锁并进行加锁（setnx：set no lock）。

Get lock1：某个用户在尝试看看是谁持有lock1。

Del lock1：如果用户发现锁的持有者是自己，那么可以进行解锁。

注意：get lock1和del lock1需要实现原子性，可以用redis的lua脚本实现。

Set lock user1 nx ex 20：Setnx lock1 user1的拓展版，多了20s之后会自动删除记录的功能，实现锁超时功能。

Ttl lock1：看看lock1还有多久被删除。

Redis分布式锁的lua脚本

用户节点向redis发送命令，redis去执行lua脚本。脚本的具体实现不用被用户知道，但此处进行一下redis的lua脚本的大致解析。

加锁：

先判断锁是否存在。如果不存在则设置锁与超时时间，如果存在则进入监听状态，监听未来释放锁的广播。

解锁：

解锁成功的时候要进行广播，告知给正在监听的用户。

注意防范锁不存在、锁与用户不匹配等问题。如果出现了这些情况那么直接return。

Red-lock算法