概述

以前參加過一個庫存系統(tǒng)，由于其業(yè)務(wù)復(fù)雜性，搞了很多個應(yīng)用來支撐。這樣的話一份庫存數(shù)據(jù)就有可能同時(shí)有多個應(yīng)用來修改庫存數(shù)據(jù)。

比如說，有定時(shí)任務(wù)域xx.cron，和SystemA域和SystemB域這幾個JAVA應(yīng)用，可能同時(shí)修改同一份庫存數(shù)據(jù)。如果不做協(xié)調(diào)的話，就會有臟數(shù)據(jù)出現(xiàn)。

對于跨JAVA進(jìn)程的線程協(xié)調(diào)，可以借助外部環(huán)境，例如DB或者Redis。下文介紹一下如何使用DB來實(shí)現(xiàn)分布式鎖。

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設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的分布式鎖的交互方式如下：

• 根據(jù)業(yè)務(wù)字段生成transaction_id，并線程安全的創(chuàng)建鎖資源
• 根據(jù)transaction_id申請鎖
• 釋放鎖

動態(tài)創(chuàng)建鎖資源

在使用synchronized關(guān)鍵字的時(shí)候，必須指定一個鎖對象。 

synchronized(obj) {  
} 

進(jìn)程內(nèi)的線程可以基于obj來實(shí)現(xiàn)同步。obj在這里可以理解為一個鎖對象。如果線程要進(jìn)入synchronized代碼塊里，必須先持有obj對象上的鎖。這種鎖是JAVA里面的內(nèi)置鎖，創(chuàng)建的過程是線程安全的。那么借助DB，如何保證創(chuàng)建鎖的過程是線程安全的呢?

可以利用DB中的UNIQUE KEY特性，一旦出現(xiàn)了重復(fù)的key，由于UNIQUE KEY的唯一性，會拋出異常的。在JAVA里面，是SQLIntegrityConstraintViolationException異常。 

create table distributed_lock 
( 
 id BIGINT UNSIGNED PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT COMMENT '自增主鍵', 
 transaction_id varchar(128) NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '事務(wù)id', 
 last_update_time TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP NOT NULL COMMENT '最后更新時(shí)間', 
 create_time TIMESTAMP DEFAULT '0000-00-00 00:00:00' NOT NULL COMMENT '創(chuàng)建時(shí)間', 
 UNIQUE KEY `idx_transaction_id` (`transaction_id`) 
) 

transaction_id是事務(wù)Id，比如說，可以用

倉庫 + 條碼 + 銷售模式

來組裝一個transaction_id，表示某倉庫某銷售模式下的某個條碼資源。不同條碼，當(dāng)然就有不同的transaction_id。如果有兩個應(yīng)用，拿著相同的transaction_id來創(chuàng)建鎖資源的時(shí)候，只能有一個應(yīng)用創(chuàng)建成功。

一條distributed_lock記錄插入成功了，就表示一份鎖資源創(chuàng)建成功了。

DB連接池列表設(shè)計(jì)

在寫操作頻繁的業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，通常會進(jìn)行分庫，以降低單數(shù)據(jù)庫寫入的壓力，并提高寫操作的吞吐量。如果使用了分庫，那么業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)自然也都分配到各個數(shù)據(jù)庫上了。

在這種水平切分的多數(shù)據(jù)庫上使用DB分布式鎖，可以自定義一個DataSouce列表。并暴露一個getConnection(String transactionId)方法，按照transactionId找到對應(yīng)的Connection。

實(shí)現(xiàn)代碼如下： 

package dlock; 
 
import com.alibaba.druid.pool.DruidDataSource; 
import org.springframework.stereotype.Component; 
 
import javax.annotation.PostConstruct; 
import java.io.FileInputStream; 
import java.io.IOException; 
import java.sql.Connection; 
import java.util.ArrayList; 
import java.util.List; 
import java.util.Properties; 
 
@Component 
public class DataSourcePool { 
    private List<DruidDataSource> dlockDataSources = new ArrayList<>(); 
 
    @PostConstruct 
    private void initDataSourceList() throws IOException { 
        Properties properties = new Properties(); 
        FileInputStream fis = new FileInputStream("db.properties"); 
        properties.load(fis); 
 
        Integer lockNum = Integer.valueOf(properties.getProperty("DLOCK_NUM")); 
        for (int i = 0; i < lockNum; i++) { 
            String user = properties.getProperty("DLOCK_USER_" + i); 
            String password = properties.getProperty("DLOCK_PASS_" + i); 
            Integer initSize = Integer.valueOf(properties.getProperty("DLOCK_INIT_SIZE_" + i)); 
            Integer maxSize = Integer.valueOf(properties.getProperty("DLOCK_MAX_SIZE_" + i)); 
            String url = properties.getProperty("DLOCK_URL_" + i); 
 
            DruidDataSource dataSource = createDataSource(user,password,initSize,maxSize,url); 
            dlockDataSources.add(dataSource); 
        } 
    } 
 
    private DruidDataSource createDataSource(String user, String password, Integer initSize, Integer maxSize, String url) { 
        DruidDataSource dataSource = new DruidDataSource(); 
        dataSource.setDriverClassName("com.mysql.jdbc.Driver"); 
        dataSource.setUsername(user); 
        dataSource.setPassword(password); 
        dataSource.setUrl(url); 
        dataSource.setInitialSize(initSize); 
        dataSource.setMaxActive(maxSize); 
 
        return dataSource; 
    } 
 
    public Connection getConnection(String transactionId) throws Exception { 
        if (dlockDataSources.size() <= 0) { 
            return null; 
        } 
 
        if (transactionId == null || "".equals(transactionId)) { 
            throw new RuntimeException("transactionId是必須的"); 
        } 
 
        int hascode = transactionId.hashCode(); 
        if (hascode < 0) { 
            hascode = - hascode; 
        } 
 
        return dlockDataSources.get(hascode % dlockDataSources.size()).getConnection(); 
    } 
} 

首先編寫一個initDataSourceList方法，并利用Spring的PostConstruct注解初始化一個DataSource 列表。相關(guān)的DB配置從db.properties讀取。 

DLOCK_NUM=2 
 
DLOCK_USER_0="user1" 
DLOCK_PASS_0="pass1" 
DLOCK_INIT_SIZE_0=2 
DLOCK_MAX_SIZE_0=10 
DLOCK_URL_0="jdbc:mysql://localhost:3306/test1" 
 
DLOCK_USER_1="user1" 
DLOCK_PASS_1="pass1" 
DLOCK_INIT_SIZE_1=2 
DLOCK_MAX_SIZE_1=10 
DLOCK_URL_1="jdbc:mysql://localhost:3306/test2" 

DataSource使用阿里的DruidDataSource。

接著最重要的一個實(shí)現(xiàn)getConnection(String transactionId)方法。實(shí)現(xiàn)原理很簡單，獲取transactionId的hashcode，并對DataSource的長度取模即可。

連接池列表設(shè)計(jì)好后，就可以實(shí)現(xiàn)往distributed_lock表插入數(shù)據(jù)了。 

package dlock; 
 
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired; 
import org.springframework.stereotype.Component; 
 
import java.sql.*; 
 
@Component 
public class DistributedLock { 
 
    @Autowired 
    private DataSourcePool dataSourcePool; 
 
    /** 
     * 根據(jù)transactionId創(chuàng)建鎖資源 
     */ 
    public String createLock(String transactionId) throws Exception{ 
        if (transactionId == null) { 
            throw new RuntimeException("transactionId是必須的"); 
        } 
        Connection connection = null; 
        Statement statement = null; 
        try { 
            connection = dataSourcePool.getConnection(transactionId); 
            connection.setAutoCommit(false); 
            statement = connection.createStatement(); 
            statement.executeUpdate("INSERT INTO distributed_lock(transaction_id) VALUES ('" + transactionId + "')"); 
            connection.commit(); 
            return transactionId; 
        } 
        catch (SQLIntegrityConstraintViolationException icv) { 
            //說明已經(jīng)生成過了。 
            if (connection != null) { 
                connection.rollback(); 
            } 
            return transactionId; 
        } 
        catch (Exception e) { 
            if (connection != null) { 
                connection.rollback(); 
            } 
            throw  e; 
        } 
        finally { 
            if (statement != null) { 
                statement.close(); 
            } 
 
            if (connection != null) { 
                connection.close(); 
            } 
        } 
    } 
} 

根據(jù)transactionId鎖住線程

接下來利用DB的select for update特性來鎖住線程。當(dāng)多個線程根據(jù)相同的transactionId并發(fā)同時(shí)操作select for update的時(shí)候，只有一個線程能成功，其他線程都block住，直到select for update成功的線程使用commit操作后，block住的所有線程的其中一個線程才能開始干活。

我們在上面的DistributedLock類中創(chuàng)建一個lock方法。 

public boolean lock(String transactionId) throws Exception { 
       Connection connection = null; 
       PreparedStatement preparedStatement = null; 
       ResultSet resultSet = null; 
       try { 
           connection = dataSourcePool.getConnection(transactionId); 
           preparedStatement = connection.prepareStatement("SELECT * FROM distributed_lock WHERE transaction_id = ? FOR UPDATE "); 
           preparedStatement.setString(1,transactionId); 
           resultSet = preparedStatement.executeQuery(); 
           if (!resultSet.next()) { 
               connection.rollback(); 
               return false; 
           } 
           return true; 
       } catch (Exception e) { 
           if (connection != null) { 
               connection.rollback(); 
           } 
           throw  e; 
       } 
       finally { 
           if (preparedStatement != null) { 
               preparedStatement.close(); 
           } 
 
           if (resultSet != null) { 
               resultSet.close(); 
           } 
 
           if (connection != null) { 
               connection.close(); 
           } 
       } 
   } 

實(shí)現(xiàn)解鎖操作

當(dāng)線程執(zhí)行完任務(wù)后，必須手動的執(zhí)行解鎖操作，之前被鎖住的線程才能繼續(xù)干活。在我們上面的實(shí)現(xiàn)中，其實(shí)就是獲取到當(dāng)時(shí)select for update成功的線程對應(yīng)的Connection，并實(shí)行commit操作即可。

那么如何獲取到呢?我們可以利用ThreadLocal。首先在DistributedLock類中定義

private ThreadLocal threadLocalConn = new ThreadLocal<>(); 

每次調(diào)用lock方法的時(shí)候，把Connection放置到ThreadLocal里面。我們修改lock方法。 

public boolean lock(String transactionId) throws Exception { 
       Connection connection = null; 
       PreparedStatement preparedStatement = null; 
       ResultSet resultSet = null; 
       try { 
           connection = dataSourcePool.getConnection(transactionId); 
           threadLocalConn.set(connection); 
           preparedStatement = connection.prepareStatement("SELECT * FROM distributed_lock WHERE transaction_id = ? FOR UPDATE "); 
           preparedStatement.setString(1,transactionId); 
           resultSet = preparedStatement.executeQuery(); 
           if (!resultSet.next()) { 
               connection.rollback(); 
               threadLocalConn.remove(); 
               return false; 
           } 
           return true; 
       } catch (Exception e) { 
           if (connection != null) { 
               connection.rollback(); 
               threadLocalConn.remove(); 
           } 
           throw  e; 
       } 
       finally { 
           if (preparedStatement != null) { 
               preparedStatement.close(); 
           } 
 
           if (resultSet != null) { 
               resultSet.close(); 
           } 
 
           if (connection != null) { 
               connection.close(); 
           } 
       } 
   } 

這樣子，當(dāng)獲取到Connection后，將其設(shè)置到ThreadLocal中，如果lock方法出現(xiàn)異常，則將其從ThreadLocal中移除掉。

有了這幾步后，我們可以來實(shí)現(xiàn)解鎖操作了。我們在DistributedLock添加一個unlock方法。 

public void unlock() throws Exception { 
       Connection connection = null; 
       try { 
           connection = threadLocalConn.get(); 
           if (!connection.isClosed()) { 
               connection.commit(); 
               connection.close(); 
               threadLocalConn.remove(); 
           } 
       } catch (Exception e) { 
           if (connection != null) { 
               connection.rollback(); 
               connection.close(); 
           } 
           threadLocalConn.remove(); 
           throw e; 
       } 
   } 

缺點(diǎn)

畢竟是利用DB來實(shí)現(xiàn)分布式鎖，對DB還是造成一定的壓力。當(dāng)時(shí)考慮使用DB做分布式的一個重要原因是，我們的應(yīng)用是后端應(yīng)用，平時(shí)流量不大的，反而關(guān)鍵的是要保證庫存數(shù)據(jù)的正確性。對于像前端庫存系統(tǒng)，比如添加購物車占用庫存等操作，最好別使用DB來實(shí)現(xiàn)分布式鎖了。

進(jìn)一步思考

如果想鎖住多份數(shù)據(jù)該怎么實(shí)現(xiàn)?比如說，某個庫存操作，既要修改物理庫存，又要修改虛擬庫存，想鎖住物理庫存的同時(shí)，又鎖住虛擬庫存。其實(shí)也不是很難，參考lock方法，寫一個multiLock方法，提供多個transactionId的入?yún)ⅲ琭or循環(huán)處理就可以了。這個后續(xù)有時(shí)間再補(bǔ)上。