分布式锁之数据库实现

分布式锁之数据库实现

什么是分布式锁

在单实例单进程的系统中，当有多个线程同时修改某个共享变量时，为了保证线程安全，就需要对变量或者代码做同步处理，这种同步操作在java中可以使用synchronized、JUC包下的显式锁、cas+volatile来实现。

而目前大部分系统都是分布式部署的，使用synchronized等手动只能保证单个进程内的线程安全，多个进程多个实例下的线程安全就需要分布式锁来实现。

目前主流的分布式锁解决方案有四种：

• 基于数据库实现（悲观+乐观）
• 基于Redis实现
• 基于ZooKeeper实现
• 基于Etcd实现

数据库之悲观锁实现分布式锁

建表sql：

CREATE TABLE `t_order` (
  `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `amount` int(11) NOT NULL,
  `status` int(11) NOT NULL,
  `version` int(11) NOT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8

INSERT INTO `t_order` (`amount`, `status`, `version`) VALUES ('100', '1', '1');

先借助sql来模拟分布锁的实现：

步骤	SessionA	SessionB
1	begin;	begin;
2	select * from t_order where id=1 for update;
3		select * from t_order where id=1 for update; – 阻塞
4	update t_order set status=2 where id=1 and status=1;
5	commit;	返回查询结果
6		update t_order set status=2 where id=1 and status=1; – 状态变了未更新成功
7		commit;

说明：

1. 客户端A和客户端B同时执行前面两行sql，客户端A返回数据，而客户端B阻塞等待获取行锁。
2. 客户端A执行后面两行sql，提交事务，客户端B获得行锁，立刻返回数据。
3. 客户端B执行后面两行sql，提交事务，释放行锁。

注意for update语句一定要走主键索引，否则没走索引会锁住整个表，走了其他索引会产生间隙锁，可能会锁住多条记录。

Java代码实现：

package com.morris.distribute.lock.database.exclusive;

import com.morris.distribute.entity.Order;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.jdbc.core.JdbcTemplate;
import org.springframework.stereotype.Service;
import org.springframework.transaction.annotation.Transactional;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

@Service
@Slf4j
public class OrderService {
    
    

    @Autowired
    private JdbcTemplate jdbcTemplate;

    /**
     * 数据库分布式锁之悲观锁
     *
     * @param id
     */
    @Transactional
    public void updateStatus(int id) {
    
    
        log.info("updateStatus begin, {}", id);

        Integer status = jdbcTemplate.queryForObject("select status from t_order where id=? for update", new Object[]{
    
    id}, Integer.class);

        if (Order.ORDER_STATUS_NOT_PAY == status) {
    
    

            try {
    
    
                // 模拟耗时操作
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
    
    
                e.printStackTrace();
            }

            int update = jdbcTemplate.update("update t_order set status=? where id=? and status=1", new Object[]{
    
    2, id, Order.ORDER_STATUS_NOT_PAY});

            if (update > 0) {
    
    
                log.info("updateStatus success, {}", id);
            } else {
    
    
                log.info("updateStatus failed, {}", id);
            }
        } else {
    
    
            log.info("updateStatus status already updated, ignore this request, {}", id);
        }
        log.info("updateStatus end, {}", id);
    }
}

注意开启事务@Transactional。

使用多个线程模拟竞争锁：

package com.morris.distribute.lock.database.exclusive;

import com.morris.distribute.config.JdbcConfig;
import org.springframework.context.annotation.AnnotationConfigApplicationContext;

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.stream.IntStream;

public class Demo {
    
    

    public static void main(String[] args) {
    
    
        AnnotationConfigApplicationContext applicationContext = new AnnotationConfigApplicationContext();
        applicationContext.register(JdbcConfig.class);
        applicationContext.register(OrderService.class);
        applicationContext.refresh();

        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);
        IntStream.rangeClosed(1, 3).forEach((i) -> new Thread(() -> {
    
    
            OrderService orderService = applicationContext.getBean(OrderService.class);
            try {
    
    
                cyclicBarrier.await();
            } catch (InterruptedException e) {
    
    
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
    
    
                e.printStackTrace();
            }
            orderService.updateStatus(1);
        }, "t" + i).start());
    }
}

运行结果如下：

2020-09-16 14:16:53,248  INFO [t2] (OrderService.java:26) - updateStatus begin, 1
2020-09-16 14:16:53,248  INFO [t1] (OrderService.java:26) - updateStatus begin, 1
2020-09-16 14:16:53,248  INFO [t3] (OrderService.java:26) - updateStatus begin, 1
2020-09-16 14:16:56,289  INFO [t2] (OrderService.java:42) - updateStatus success, 1
2020-09-16 14:16:56,289  INFO [t2] (OrderService.java:49) - updateStatus end, 1
2020-09-16 14:16:56,290  INFO [t3] (OrderService.java:47) - updateStatus status already updated, ignore this request, 1
2020-09-16 14:16:56,290  INFO [t3] (OrderService.java:49) - updateStatus end, 1
2020-09-16 14:16:56,291  INFO [t1] (OrderService.java:47) - updateStatus status already updated, ignore this request, 1
2020-09-16 14:16:56,291  INFO [t1] (OrderService.java:49) - updateStatus end, 1

从运行结果可以看出，同一时间只有一个线程持有了锁。

数据库之乐观锁实现分布式锁

乐观锁每次通过版本号来判断记录是否被更新过。

package com.morris.distribute.lock.database.share;

import com.morris.distribute.entity.Order;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.jdbc.core.JdbcTemplate;
import org.springframework.stereotype.Service;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

@Service
@Slf4j
public class OrderService {
    
    

    @Autowired
    private JdbcTemplate jdbcTemplate;

    /**
     * 数据库分布式锁之乐观锁
     *
     * @param id
     */
    public void updateStatus(int id) {
    
    

        log.info("updateStatus begin, {}", id);
        for (;;) {
    
     // 自旋，有可能对订单做其他操作，导致version变了，所以需要自旋
            Order order = jdbcTemplate.queryForObject("select status, version from t_order where id=?",
                    new Object[]{
    
    id}, (rs, row) -> {
    
    
                        Order o = new Order();
                        o.setStatus(rs.getInt(1));
                        o.setVersion(rs.getInt(2));
                        return o;
                    });

            if (Order.ORDER_STATUS_NOT_PAY == order.getStatus()) {
    
    

                try {
    
    
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                } catch (InterruptedException e) {
    
    
                    e.printStackTrace();
                }

                int update = jdbcTemplate.update("update t_order set status=?,version=? where id=? and version=? and status=?",
                        new Object[]{
    
    Order.ORDER_STATUS_PAY_SUCCESS, order.getVersion() + 1, id, order.getVersion(), Order.ORDER_STATUS_NOT_PAY});

                if (update > 0) {
    
    
                    log.info("updateStatus success, {}", id);
                    break;
                } else {
    
    
                    log.info("updateStatus failed, {}", id);
                }
            } else {
    
    
                log.info("updateStatus status already updated, ignore this request, {}", id);
                break;
            }
        }
        log.info("updateStatus end, {}", id);
    }

}

运行结果如下：

2020-09-16 14:21:08,934  INFO [t3] (OrderService.java:25) - updateStatus begin, 1
2020-09-16 14:21:08,934  INFO [t2] (OrderService.java:25) - updateStatus begin, 1
2020-09-16 14:21:08,934  INFO [t1] (OrderService.java:25) - updateStatus begin, 1
2020-09-16 14:21:12,110  INFO [t1] (OrderService.java:50) - updateStatus failed, 1
2020-09-16 14:21:12,110  INFO [t2] (OrderService.java:50) - updateStatus failed, 1
2020-09-16 14:21:12,111  INFO [t3] (OrderService.java:47) - updateStatus success, 1
2020-09-16 14:21:12,111  INFO [t3] (OrderService.java:57) - updateStatus end, 1
2020-09-16 14:21:12,117  INFO [t2] (OrderService.java:53) - updateStatus status already updated, ignore this request, 1
2020-09-16 14:21:12,117  INFO [t1] (OrderService.java:53) - updateStatus status already updated, ignore this request, 1
2020-09-16 14:21:12,117  INFO [t1] (OrderService.java:57) - updateStatus end, 1
2020-09-16 14:21:12,117  INFO [t2] (OrderService.java:57) - updateStatus end, 1

总结

悲观锁：会锁住整行记录，导致对数据的其他业务操作也无法进行，效率低，如果sql没写好，可能会产生间隙锁，锁住多条记录，甚至锁住全表。

乐观锁：每个表都需要增加与业务无关的version字段。

优点：直接基于数据库实现，实现简单。

缺点：IO开销大，连接数有限，无法满足高并发的需求。