分布式锁方式(一、基于数据库的分布式锁)

写在前面:

分布式部署,分布式锁。网上查阅了很多资料,整理一份比较全的关于分布式锁相关的资料,本文非原创只是不同文章的整理和理解,文章最后我会把资料来源摘出。

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分布式锁目前比较常用的几种方案:

基于数据库实现分布式锁

基于缓存(redis , memcached)实现分布式锁

基于zookeeper实现分布式锁


三种方案比较

从理解的难易程度角度(从低到高)

数据库 > 缓存 > Zookeeper


从实现的复杂性角度(从低到高)

Zookeeper >= 缓存 > 数据库

从性能角度(从高到低)

缓存 > Zookeeper >= 数据库

从可靠性角度(从高到低)

Zookeeper > 缓存 > 数据库

正文:

        所谓分布式锁,是分布式系统或者集群的时候使用的锁,来锁定共享的资源,例如项目的进度,每一笔订单都是修改同一个项目进度,所以项目进度必须加上锁。


1、乐观锁

  基于数据库资源表做乐观锁,用于分布式锁:

1. 首先说明乐观锁的含义:

大多数是基于数据版本(version)的记录机制实现的。何谓数据版本号?即为数据增加一个版本标识,在基于数据库表的版本解决方案中,一般是通过为数据库表添加一个 “version”字段来实现读取出数据时,将此版本号一同读出,之后更新时,对此版本号加1。

在更新过程中,会对版本号进行比较,如果是一致的,没有发生改变,则会成功执行本次操作;如果版本号不一致,则会更新失败。

2. 对乐观锁的含义有了一定的了解后,结合具体的例子,我们来推演下我们应该怎么处理:

(1). 假设我们有一张资源表,如下图所示: t_resource , 其中有6个字段id, resoource,  state, add_time, update_time, version,分别表示表主键、资源、分配状态(1未分配  2已分配)、资源创建时间、资源更新时间、资源数据版本号。

(4). 假设我们现在我们对id=5780这条数据进行分配,那么非分布式场景的情况下,我们一般先查询出来state=1(未分配)的数据,然后从其中选取一条数据可以通过以下语句进行,如果可以更新成功,那么就说明已经占用了这个资源

update t_resource set state=2 where state=1 and id=5780。

(5). 如果在分布式场景中,由于数据库的update操作是原子是原子的,其实上边这条语句理论上也没有问题,但是这条语句如果在典型的“ABA”情况下,我们是无法感知的。有人可能会问什么是“ABA”问题呢?大家可以网上搜索一下,这里我说简单一点就是,如果在你第一次select和第二次update过程中,由于两次操作是非原子的,所以这过程中,如果有一个线程,先是占用了资源(state=2),然后又释放了资源(state=1),实际上最后你执行update操作的时候,是无法知道这个资源发生过变化的。也许你会说这个在你说的场景中应该也还好吧,但是在实际的使用过程中,比如银行账户存款或者扣款的过程中,这种情况是比较恐怖的。

(6). 那么如果使用乐观锁我们如何解决上边的问题呢?

a. 先执行select操作查询当前数据的数据版本号,比如当前数据版本号是26:

select id, resource, state,version from t_resource  where state=1 and id=5780;

b. 执行更新操作:

update t_resoure set state=2, version=27, update_time=now() where resource=xxxxxx and state=1 and version=26

c. 如果上述update语句真正更新影响到了一行数据,那就说明占位成功。如果没有更新影响到一行数据,则说明这个资源已经被别人占位了。

3. 通过2中的讲解,相信大家已经对如何基于数据库表做乐观锁有有了一定的了解了,但是这里还是需要说明一下基于数据库表做乐观锁的一些缺点:

(1). 这种操作方式,使原本一次的update操作,必须变为2次操作: select版本号一次;update一次。增加了数据库操作的次数。

(2). 如果业务场景中的一次业务流程中,多个资源都需要用保证数据一致性,那么如果全部使用基于数据库资源表的乐观锁,就要让每个资源都有一张资源表,这个在实际使用场景中肯定是无法满足的。而且这些都基于数据库操作,在高并发的要求下,对数据库连接的开销一定是无法忍受的。

(3). 乐观锁机制往往基于系统中的数据存储逻辑,因此可能会造成脏数据被更新到数据库中。在系统设计阶段,我们应该充分考虑到这些情况出现的可能性,并进行相应调整,如将乐观锁策略在数据库存储过程中实现,对外只开放基于此存储过程的数据更新途径,而不是将数据库表直接对外公开。

4. 讲了乐观锁的实现方式和缺点,是不是会觉得不敢使用乐观锁了呢???当然不是,在文章开头我自己的业务场景中,场景1和场景2的一部分都使用了基于数据库资源表的乐观锁,已经很好的解决了线上问题。所以大家要根据的具体业务场景选择技术方案,并不是随便找一个足够复杂、足够新潮的技术方案来解决业务问题就是好方案?!比如,如果在我的场景一中,我使用zookeeper做锁,可以这么做,但是真的有必要吗???答案觉得是没有必要的!!!

2、排他锁(悲观锁)

创建一张数据库表:

CREATE TABLE `methodLock` (
  `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '主键',
  `method_name` varchar(64) NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '锁定的方法名',
  `desc` varchar(1024) NOT NULL DEFAULT '备注信息',
  `update_time` timestamp NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '保存数据时间,自动生成',
  PRIMARY KEY (`id`),
  UNIQUE KEY `uidx_method_name` (`method_name `) USING BTREE
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT='锁定中的方法';
通过数据库的排他锁来实现分布式锁。 基于MySQL的InnoDB引擎,可以使用以下方法来实现加锁操作:

public boolean lock(){
    connection.setAutoCommit(false)
    while(true){
        try{
            result = select * from methodLock where method_name=xxx for update;
            if(result==null){
                return true;
            }
        }catch(Exception e){

        }
        sleep(1000);
    }
    return false;
}
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(这里再多提一句,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method_name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它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,再通过以下方法解锁:

public void unlock(){
    connection.commit();
}
通过connection.commit()操作来释放锁
  • 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method_name 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

数据库实现分布式锁的缺点

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。


3、数据库隔离级别

以上我们分析了mysql数据库基础上分布式锁,那其实还需要理解一下mysql的事物隔离级别才能更好的理解通过存储过程实现分布式锁。

SQL标准定义了4类隔离级别,包括了一些具体规则,用来限定事务内外的哪些改变是可见的,哪些是不可见的。低级别的隔离级一般支持更高的并发处理,并拥有更低的系统开销。

Read Uncommitted(读取未提交内容)

       在该隔离级别,所有事务都可以看到其他未提交事务的执行结果。本隔离级别很少用于实际应用,因为它的性能也不比其他级别好多少。读取未提交的数据,也被称之为脏读(Dirty Read):某个事务已更新一份数据,另一个事务在此时读取了同一份数据,由于某些原因,前一个RollBack了操作,则后一个事务所读取的数据就会是不正确的。


Read Committed(读取提交内容)

       这是大多数数据库系统的默认隔离级别(但不是MySQL默认的)。它满足了隔离的简单定义:一个事务只能看见已经提交事务所做的改变。这种隔离级别 也支持所谓的不可重复读(Nonrepeatable Read):在一个事务的两次查询之中数据不一致,这可能是两次查询过程中间插入了一个事务更新的原有的数据,因为同一事务的其他实例在该实例处理其间可能会有新的commit,所以同一select可能返回不同结果。


Repeatable Read(可重读)

       这是MySQL的默认事务隔离级别,它确保同一事务的多个实例在并发读取数据时,会看到同样的数据行。不过理论上,这会导致另一个棘手的问题:幻读 (Phantom Read):在一个事务的两次查询中数据笔数不一致,例如有一个事务查询了几列(Row)数据,而另一个事务却在此时插入了新的几列数据,先前的事务在接下来的查询中,就会发现有几列数据是它先前所没有的。简单的说,幻读指当用户读取某一范围的数据行时,另一个事务又在该范围内插入了新行,当用户再读取该范围的数据行时,会发现有新的“幻影” 行。InnoDB和Falcon存储引擎通过多版本并发控制(MVCC,Multiversion Concurrency Control)机制解决了该问题。


Serializable(可串行化) 
       这是最高的隔离级别,它通过强制事务排序,使之不可能相互冲突,从而解决幻读问题。简言之,它是在每个读的数据行上加上共享锁。在这个级别,可能导致大量的超时现象和锁竞争。



mysql有一个autocommit参数,默认是on,他的作用是每一条单独的查询都是一个事务,并且自动开始,自动提交(执行完以后就自动结束了,如果你要适用select for update,而不手动调用 start transaction,这个for update的行锁机制等于没用,因为行锁在自动提交后就释放了),所以事务隔离级别和锁机制即使你不显式调用start transaction,这种机制在单独的一条查询语句中也是适用的,分析锁的运作的时候一定要注意这一点。

再来说说锁机制:
共享锁:由读表操作加上的锁,加锁后其他用户只能获取该表或行的共享锁,不能获取排它锁,也就是说只能读不能写

排它锁:由写表操作加上的锁,加锁后其他用户不能获取该表或行的任何锁,典型是mysql事务中

start transaction;

select * from user where userId = 1 for update;

执行完这句以后

  1)当其他事务想要获取共享锁,比如事务隔离级别为SERIALIZABLE的事务,执行

  select * from user;

   将会被挂起,因为SERIALIZABLE的select语句需要获取共享锁

  2)当其他事务执行

  select * from user where userId = 1 for update;

  update user set userAge = 100 where userId = 1; 

  也会被挂起,因为for update会获取这一行数据的排它锁,需要等到前一个事务释放该排它锁才可以继续进行



资料来源:
http://xm-king.iteye.com/blog/770721
http://blog.csdn.net/zxp_cpinfo/article/details/53692922
http://www.importnew.com/20307.html

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转载自blog.csdn.net/xiazep521/article/details/80594991