一、线程锁、进程锁

在介绍分布式锁之前，我们先来简单介绍下线程锁、进程锁。

线程锁
线程锁，主要用来解决的问题是：保护临界区域。
使用方式：lock(mutex)、unlock(mutex)。

进程锁
为了控制同一操作系统中多个进程访问一个共享资源。
nginx中的accept锁，就是一种进程锁，它采用的实现方式是：共享内存+信号量。

二、分布式锁

2.1 分布式锁的实现方案

分布式锁的常见实现方案有：
1）数据库 redis，mysql
2）zookeeper

高效性比较：zookeeper > redis > mysql

2.2、分布式锁有哪些特征

1）互斥性
2）可重入性：一个进程允许递归获取锁（需要递归释放）
3）分布式锁需要解决锁超时（进程crash掉，需要考虑释放分布式锁）
4）高效、高可用（redis、zookeeper）。
5）公平锁（按获取锁顺序执行）和非公平锁（随机执行）

图1

高可用，指的是数据中心crash掉后 ，进程依然可以获取到锁，并能够正确释放锁。

redis主从复制：主redis收到写操作，通知从redis方式实现数据同步，实现的是最终一致性（可能一秒rdb或者一个操作aof）。
zookeeper：使用zab协议，实现强一致性。

分布式中，主要考虑CAP，c一致性，a可用性，p分区容错性（三者占二）。

2.3、redis实现分布式锁

1、redis运行原理
redis用作缓存数据库，也是数据结构数据库，kv数据库（hash）。

图2

热点数据（常用）存放在redis中。
操作redis，实际是操作redis中的数据结构，rpc远程调用。
数据请求方式：请求回应+监听发布。

按请求顺序来执行命令，同样返回按照执行顺序。
比如：
请求：set hello world
回应：+OK

2、redis实现分布式锁
1）获取锁
2）执行逻辑
3）释放锁

设置锁：setnx()只有在key不存在的时候，才能设置成功。成功返回(+ok)，失败返回(nil)。
释放锁：del key

结合 图1，引出几个问题。

问题1 进程a、b、c、d同时竞争锁，若产生了死锁，如何解决？
给进程的锁设置超时时间：set(“lock”, 四元组, “NX”, “EX”, 30) ，比如进程A超时了，进程B就可以获取到锁。

问题2 来自问题1的设置超时解决方案：进程A超时后，还需要释放锁吗？怎么释放？
可以对进程A的锁进行超时叠加：set(“lock”, 四元组, “NX”, “EX”, 30)超时后，可以依次续时间：20s，10s。

问题3 同样来自问题1的设置超时解决方案：当A设置锁超时之后，B可以获取到锁，如果B还没执行完逻辑而A执行完后，A释放了锁，这时C也可以获取锁。
我们可以通过增加是哪个进程标识，表明是哪个进行在使用锁。这样A就不能随意释放锁。

问题4 来自问题3的设置超时解决方案：如何对一个进程进行唯一标识？
1）方案1：使用 “PID” 作为进程唯一标识。缺陷：PID是一个递增ID，最大值有上限，约是32970，当ID值增加到最大值的时候，系统就会重新从1开始分配PID，没法区分，因此仅使用PID并不合适。

2）方案2：使用 “IP:PORT:PID” 作为进程唯一标识：会产生一种bug–可能通过批处理执行过很多命令，1270pid轮询重启后又变成1270，这个时候没法区分该进程是否有重启。

3）方案3：使用 “IP:PORT:STARTTIME:PID” 作为进程唯一标识，starttime是以ms单位来存储。

2.4、zookeeper实现分布式锁

zookeeper主要处理协调管理功能：统一命名、管理集群、配置中心（配置更新）、分布式锁。

图3

集成zookeeper之后，一般都是配置一个Web后台。可以在Web后台对zookeeper进行配置更新。Zookeeper就可以调用批处理程序，比如重启等。

zookeeper通过数据模型+监听机制，来驱动所有的功能。

1、数据模型
类似文件系统存储方式
/root
/usr/local

特征：
1）持久的：持久化（写到硬盘中，重启后读到内存中）
2）短暂的：与连接相关，连接断开后，连接创建的节点自动删除
3）顺序的（如图4）

图4

2、监听机制
可监听节点的变化（创建，删除，值的变化，子节点的变化（创建或删除））。

1）获取锁：创建同名节点，只有一个能创建成功。
2）释放锁：delete节点，断开连接自动删除，锁超时。

结合 图3，引出几个问题。

问题1 如果有多个进程都去创建，只有一个创建成功了，假设a创建成功了，bcd什么时候去创建呢？
可以使用监听机制，当节点失效的时候，都去竞争锁。小于10个进程竞争的时候，可以使用这种方式；而如果有大量进程获取锁，就会惊群效应，浪费网络资源。

问题2 来自问题1，如何解决惊群问题？
可以采用公平锁：
1）创建节点，产生短暂顺序节点。比如abcd依次创建，得到的短暂顺序节点0、1、2、3。
2）每一个进程都有一个序号 。 假设序号为0，就是它获取锁；假设序号不为0，只需要监听比它小一节的节点即可。
比如：b节点监听a节点，只要a释放，b就能拿到锁。以此类推：c监听b节点，d监听c节点。

问题3 来自问题2，进程a当前获取到锁，如果进程b崩溃，进程c如何能拿到锁？
改为进程c监听进程a。