面試官必問(wèn)的分布式鎖面試題，你答得上來(lái)嗎？
一、面試聊聊-分布式鎖，如何回答？
要分析分布式鎖這個(gè)問(wèn)題，我們根據(jù)黃金圈法則來(lái)分析。
黃金圈法則是由美國(guó)營(yíng)銷顧問(wèn)西蒙·斯涅克（Simon Sinek）提出的一種思維模型，用于幫助人們更好地理解和傳達(dá)信息。黃金圈法則由三個(gè)圈組成，分別是：
- 為什么（Why）：為什么要做這件事？這是黃金圈的核心，是一切的起點(diǎn)。
- 怎么做（How）：怎么做這件事？這是黃金圈的中間部分，是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方法。
- 做什么（What）：做什么這件事？這是黃金圈的外圍部分，是具體的行為。
使用3w分析問(wèn)題思路來(lái)分析分布式鎖，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：
What：分布式鎖是什么？
分布式鎖是控制分布式系統(tǒng)之間同步訪問(wèn)共享資源的機(jī)制。在分布式系統(tǒng)中，常常需要協(xié)調(diào)他們的動(dòng)作。如果不同的系統(tǒng)或是同一個(gè)系統(tǒng)的不同主機(jī)之間共享了一個(gè)或一組資源，那么訪問(wèn)這些資源的時(shí)候，往往需要互斥來(lái)防止彼此干擾來(lái)保證一致性，在這種情況下，便需要使用到分布式鎖。
回答時(shí)：先說(shuō)一下概念。分布式鎖是用于在分布式系統(tǒng)中控制對(duì)共享資源的訪問(wèn)，以避免數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)和并發(fā)問(wèn)題。
How：如何實(shí)現(xiàn)分布式鎖？
分布式鎖的實(shí)現(xiàn)方法有很多，常見的有以下幾種：
- 數(shù)據(jù)庫(kù)鎖：使用數(shù)據(jù)庫(kù)中的行鎖或表鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式鎖。
- 文件鎖：使用文件來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式鎖。
- Zookeeper鎖：使用Zookeeper來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式鎖。
- Redis鎖：使用Redis來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式鎖。
- 消息隊(duì)列鎖：使用消息隊(duì)列來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式鎖。
回答時(shí)：說(shuō)一下分布式鎖以上的實(shí)現(xiàn)方式。
Why：為什么需要分布式鎖？
一些需要分布式鎖的場(chǎng)景：
- 分布式數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)：在分布式系統(tǒng)中，通常需要使用分布式事務(wù)來(lái)保證數(shù)據(jù)的一致性。在分布式事務(wù)中，通常會(huì)使用分布式鎖來(lái)保證事務(wù)的執(zhí)行順序。
- 分布式資源分配：在分布式系統(tǒng)中，通常需要使用分布式鎖來(lái)分配共享資源。例如，在搶購(gòu)場(chǎng)景中，需要使用分布式鎖來(lái)保證同一商品只能被一個(gè)用戶購(gòu)買。
- 分布式數(shù)據(jù)同步：在分布式系統(tǒng)中，通常需要使用分布式鎖來(lái)保證數(shù)據(jù)的同步。例如，在訂單系統(tǒng)中，需要使用分布式鎖來(lái)保證同一訂單只能被一個(gè)系統(tǒng)修改。
回答時(shí)：說(shuō)一下分布式鎖的應(yīng)用場(chǎng)景。
二、深入聊聊-分布式鎖在項(xiàng)目中的應(yīng)用
1、Redisson實(shí)現(xiàn)分布式鎖
Redisson 是一個(gè)基于 Redis 的 Java 分布式框架。Redisson 提供了豐富的功能，包括分布式鎖、分布式集合、分布式隊(duì)列等。
以下是使用 Redisson 實(shí)現(xiàn)分布式鎖的示例：
@Autowired
private RedissonClient redissonClient;
public String lock() {
// 獲取鎖
RLock lock = redissonClient.getLock("lock");
boolean acquired = lock.tryLock(10,-1,TimeUnit.SECONDS);
if (acquired) {
// 獲取鎖成功，執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯
return "獲取鎖成功，執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯...";
} else {
// 獲取鎖失敗，重試
return "獲取鎖失敗，重試...";
}
}
public String unlock() {
// 釋放鎖
RLock lock = redissonClient.getLock("lock");
lock.unlock();
return "釋放鎖成功...";
}另外，redisson支持鎖續(xù)期。即在鎖鍵值過(guò)期后任務(wù)還沒執(zhí)行完成，此時(shí)需要把鎖鍵值的時(shí)間自動(dòng)延長(zhǎng)。
Redisson提供了的續(xù)期機(jī)制，只要客戶端加鎖成功，就會(huì)啟動(dòng)一個(gè)Watch Dog。可以看到源代碼的實(shí)現(xiàn)leaseTime不設(shè)置為-1時(shí)開啟監(jiān)聽。如果任務(wù)沒完成就調(diào)用scheduleExpirationRenewal續(xù)期方法。
tryLock() 方法用于嘗試獲取分布式鎖，該方法有三個(gè)參數(shù)：
- key：鎖的鍵值。
- waitTime：等待獲取鎖的時(shí)間，單位為毫秒。
- leaseTime：鎖的過(guò)期時(shí)間，單位為毫秒。
waitTime 參數(shù)表示客戶端最多等待多長(zhǎng)時(shí)間來(lái)獲取鎖。如果在 waitTime 時(shí)間內(nèi)沒有獲取到鎖，則會(huì)返回 false。
leaseTime 參數(shù)表示鎖的過(guò)期時(shí)間。如果鎖在 leaseTime 時(shí)間內(nèi)沒有被釋放，則會(huì)自動(dòng)釋放。如果 leaseTime 設(shè)置為 -1，則表示鎖的過(guò)期時(shí)間由 renew() 方法來(lái)控制。這樣，在業(yè)務(wù)邏輯執(zhí)行過(guò)程中，可以定期調(diào)用 lock.renew() 方法來(lái)續(xù)期鎖的過(guò)期時(shí)間。
tryLock() 方法的返回值是一個(gè) Boolean 值，表示是否成功獲取到鎖。如果成功獲取到鎖，則返回 true。否則，返回 false。
2、Springboot+Lettuce
在 SpringBoot 2.7 中，可以通過(guò)spring-boot-starter-data-redis 默認(rèn)依賴是Lettuce。那么Lettuce是如何實(shí)現(xiàn)分布式鎖呢
- 在 Spring Boot 項(xiàng)目中添加 spring-boot-starter-data-redis 依賴。
- 定義一個(gè) RedisLock 類來(lái)封裝分布式鎖的相關(guān)操作。
- 在 ServiceImpl類中使用 RedisLock 類來(lái)獲取和釋放分布式鎖。
以下是 SpringBoot+Lettuce 實(shí)現(xiàn)分布式鎖的完整代碼：
@Component
public class RedisLock {
private static final String LOCK_SCRIPT = "if redis.call('exists', KEYS[1]) == 0 then\n" +
" redis.call('set', KEYS[1], ARGV[1], 'NX', 'PX', ARGV[2]);\n" +
" return 1\n" +
"else\n" +
" return 0\n" +
"end";
private final RedisTemplate<String, String> redisTemplate;
public RedisLock(RedisTemplate<String, String> redisTemplate) {
this.redisTemplate = redisTemplate;
}
//獲得鎖
public boolean acquireLock(String key, long timeout) {
String uuid = UUID.randomUUID().toString();
Object result = redisTemplate.execute(new DefaultRedisScript(LOCK_SCRIPT, Long.class), Arrays.asList(key), uuid, timeout);
return result != null && (long) result == 1;
}
//釋放鎖
public void releaseLock(String key, String uuid) {
redisTemplate.delete(key);
}
}@Service
public class TestServcieImpl implements TestServcie{
@Autowired
private StringRedisTemplate stringRedisTemplate;
// 加鎖腳本
private static final String LOCK_SCRIPT = "if redis.call ('setnx', KEYS[1], ARGV[1]) == 1 then return redis.call ('expire', KEYS[1], ARGV[2]) else return 0 end";
// 解鎖腳本
private static final String UNLOCK_SCRIPT = "if redis.call ('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call ('del', KEYS[1]) else return 0 end";
// 加鎖方法
public boolean lock(String key, String value, Long expire) {
RedisScript<Long> redisScript = new DefaultRedisScript<>(LOCK_SCRIPT, Long.class);
Long result = stringRedisTemplate.execute(redisScript, Collections.singletonList(key), value, String.valueOf(expire));
return result.equals(Long.valueOf(1));
}
// 解鎖方法
public boolean unlock(String key, String value) {
RedisScript<Long> redisScript = new DefaultRedisScript<>(UNLOCK_SCRIPT, Long.class);
Long result = stringRedisTemplate.execute(redisScript, Collections.singletonList(key), value);
return result.equals(Long.valueOf(1));
}
}在上述 demo 中，我們使用 RedisLock 類來(lái)封裝分布式鎖的相關(guān)操作。acquireLock() 方法用于獲取分布式鎖，releaseLock() 方法用于釋放分布式鎖。
在 ServcieImpl 類中，我們使用 RedisLock 類來(lái)獲取和釋放分布式鎖。lock() 方法用于獲取鎖，unlock() 方法用于釋放鎖。不像Redisson封裝好了相應(yīng)的方法，Lettuuce如果要實(shí)現(xiàn)鎖續(xù)期就需要自己寫監(jiān)聽器及相應(yīng)的lua腳本。
三、小結(jié)
1、什么是Lua？
可以看到不論是Redisson還是Lettuce實(shí)現(xiàn)分布式鎖都使用的Lua腳本，那我們先來(lái)了解一下什么是Lua腳本語(yǔ)言。
Lua 是一個(gè)小巧的腳本語(yǔ)言，由巴西里約熱內(nèi)盧天主教大學(xué)（Pontifical Catholic University of Rio de Janeiro）里的一個(gè)研究小組于 1993 年開發(fā)的。Lua 使用標(biāo)準(zhǔn) C 語(yǔ)言編寫并以源代碼形式開放，幾乎在所有操作系統(tǒng)和平臺(tái)上都能編譯運(yùn)行。Lua 腳本可以調(diào)用 C/C++ 的函數(shù)，也可以被 C/C++ 代碼調(diào)用，所以 Lua 在應(yīng)用程序中可以被廣泛應(yīng)用。
Lua 的特點(diǎn)如下：
- 小巧靈活：Lua 的核心只有 200K，非常小巧，可以方便地嵌入到應(yīng)用程序中。Lua 的語(yǔ)法也非常簡(jiǎn)單，易于學(xué)習(xí)和使用。
- 可擴(kuò)展性：Lua 可以調(diào)用 C/C++ 的函數(shù)，也可以被 C/C++ 代碼調(diào)用，所以 Lua 可以很容易地?cái)U(kuò)展到應(yīng)用程序的其他部分。
- 高性能：Lua 的運(yùn)行效率非常高，可以滿足大多數(shù)應(yīng)用程序的需求。
Lua 在游戲開發(fā)、Web 開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。
以下是 Lua 的一些典型應(yīng)用：
- 游戲開發(fā)：Lua 常用于游戲中的腳本編寫，用于實(shí)現(xiàn)游戲的邏輯和特效。
- Web 開發(fā)：Lua 可以用于 Web 開發(fā)，用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頁(yè)面和游戲。
- 嵌入式系統(tǒng)：Lua 可以用于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，用于實(shí)現(xiàn)控制邏輯和用戶界面。
Lua 是一款非常實(shí)用的腳本語(yǔ)言，在眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。
2、為什么使用Lua？
- Redis 實(shí)現(xiàn)分布式鎖中，獲取鎖、釋放鎖為什么要使用 Lua 腳本？
- 使用 Lua 腳本的主要原因是為了保證操作的原子性，避免出現(xiàn)并發(fā)問(wèn)題或誤解鎖的情況。
- 使用 setnx 命令獲取鎖，然后使用 expire 命令設(shè)置過(guò)期時(shí)間，這兩個(gè)命令之間可能會(huì)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)延遲或者其他異常，導(dǎo)致鎖沒有正確設(shè)置過(guò)期時(shí)間，從而造成死鎖。
- 使用 del 命令釋放鎖，需要先判斷鎖是否屬于當(dāng)前客戶端，否則可能會(huì)誤解其他客戶端的鎖。
使用 Lua 腳本可以將判斷和刪除鎖的操作合并為一個(gè)原子操作，避免了這些問(wèn)題。Lua 腳本在 Redis 服務(wù)器端執(zhí)行，不會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)延遲或者客戶端故障的影響，也不會(huì)被其他命令打斷，因此可以保證操作的原子性。
- 為什么說(shuō) Redis 命令沒有原子性？
- Redis 命令本身是單線程執(zhí)行的，所以單個(gè)命令是具有原子性的。
- 但是如果要實(shí)現(xiàn)分布式鎖的功能，通常需要多個(gè)命令組合起來(lái)執(zhí)行，例如 setnx + expire 或者 get + del。
- 這些命令組合在執(zhí)行過(guò)程中可能會(huì)被其他客戶端發(fā)送的命令打斷，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致或者邏輯錯(cuò)誤。
因此，Redis 命令沒有原子性是指多個(gè)命令組合起來(lái)執(zhí)行時(shí)沒有原子性。
以下是使用 Lua 腳本實(shí)現(xiàn)分布式鎖的示例：
-- 獲取鎖
function acquire_lock(key, uuid, timeout)
local value = redis.call("GET", key)
if value == nil then
redis.call("SET", key, uuid, "NX", "PX", timeout)
return 1
else
return 0
end
end
-- 釋放鎖
function release_lock(key, uuid)
redis.call("DEL", key)
end上述腳本實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的 SETNX 和 DEL 操作，可以保證同一時(shí)刻只有一個(gè)客戶端可以獲取到鎖。
在實(shí)際使用中，可以根據(jù)具體的業(yè)務(wù)場(chǎng)景來(lái)調(diào)整 Lua 腳本的實(shí)現(xiàn)。
