分布式锁实现原理与最佳实践

分布式锁应用场景

很多应用场景是需要系统保证幂等性的（如api服务或消息消费者），并发情况下或消息重复很容易造成系统重入，那么分布式锁是保障幂等的一个重要手段。

另一方面，很多抢单场景或者叫交易撮合场景，如dd司机抢单或唯一商品抢拍等都需要用一把“全局锁”来解决并发造成的问题。在防止并发情况下造成库存超卖的场景，也常用分布式锁来解决。

实现分布式锁方案

这里介绍常见两种：redis锁、zookeeper锁

1.Redis实现方案

1.1实现原理

redis分布式锁基本都知道setnx命令（if not exists），其实现原理即：如果进入redis添加某个键不存在可以设置成功，如果已存在则会设置失败。

说明：setnx命令已过时，这里推荐使用set +nx参数来实现。

set命令：set key value ex seconds nx

ex 表示过期时间，精确到秒（对应另一个参数px过期时间精确到毫秒)
nx 表示if not exists，只有键不存在才能设置成功（对应另一个参数xx只有键存在才能设置成功）

设置过期时间的作用，如果某个并行任务（进程/线程/协程）持有锁，但不能正常释放，将导致所有任务都无法获取锁，获取执行权限。而引入了过期时间解决此问题的同时，也会引入新的问题，具体后面分析。

1.2代码实现

import "github.com/go-redis/redis"  //redis package
//connect redis
var client = redis.NewClient(&redis.Options{
    Addr:     "localhost:6379",
    Password: "",
    DB:       0,
})
//lock
func lock(myfunc func()) {
    var lockKey = "mylockr"
    //lock
    lockSuccess, err := client.SetNX(lockKey, 1, time.Second*5).Result()
    if err != nil || !lockSuccess {
        fmt.Println("get lock fail")
        return
    } else {
        fmt.Println("get lock")
    }
    //run func
    myfunc()
    //unlock
    _, err := client.Del(lockKey).Result()
    if err != nil {
        fmt.Println("unlock fail")
    } else {
        fmt.Println("unlock")
    }
}
//do action
var counter int64
func incr() {
    counter++
    fmt.Printf("after incr is %d\n", counter)
}
//5 goroutine compete lock
var wg sync.WaitGroup
func main() {
    for i := 0; i < 5; i++ {
        wg.Add(1)
        go func() {
            lock(incr)
        }()
    }
    wg.Wait()
    fmt.Printf("final counter is %d \n", counter)
}

以上代码截取关键部分，完整代码参见：

https://github.com/skyhackvip/lock/blob/master/redislock.go

代码执行结果：

根据执行结果可以看到，每次执行最后的计数不一样，多个协程间互相抢锁，只有拿到锁才会计数加1，抢锁失败则不执行。

这里说明下：由于routine执行时间太短，执行完把锁释放了所以才有其他routine可以拿到锁。如果incr代码中增加sleep时间，那么结果都是1了。

用一张图来更直观解释具体执行情况：

1.3方案缺陷

刚才提到使用了过期时间，虽然解决了“死锁”问题，但会引来新的问题，具体问题分析如下：

可以看到routine1拿到锁，但由于执行时间过长（比锁失效时间长），导致锁提前失效释放，routine3可以正常拿到锁，而之后routine1进行锁释放，当routine3进行锁释放时就会失败，如果此时有其他并发来的时候锁也会有问题。

1.4方案优化

那么有什么有效解决方案呢？

简单来说就是利用lock的value，还记得之前代码设置lock的时候随便使用了一个值1就打发了。

resp := client.SetNX(lockKey, 1, time.Second*5)

这里的1可以改为能识别该routine的唯一值（如uid，orderid等），也可以使用uuid随机生成一个。（关于如何生成uuid方案参见公众号上一篇文章）

func lock(myfunc func()) {
    //lock
    uuid := getUuid()
    lockSuccess, err := client.SetNX(lockKey, uuid, time.Second*5).Result()
    if err != nil || !lockSuccess {
        fmt.Println("get lock fail")
        return
    } else {
        fmt.Println("get lock")
    }   
    //run func
    myfunc()
    //unlock
    value, _ := client.Get(lockKey).Result()
    if value == uuid { //compare value,if equal then del
        _, err := client.Del(lockKey).Result()
        if err != nil {
            fmt.Println("unlock fail")
        }  else {
            fmt.Println("unlock")
        }
    }
}

这里增加了value的比较，确认了是当前routine，才会进行删除。至此问题解决了吗？

value, _ := client.Get(lockKey).Result() 和 value==uuid

这个操作本身不具有“原子性”，可能当获取到value并且对比一致了，但此时lock过期失效了，而同时另一个routine拿到了结果，那么这里又会把别人的锁误删除了。

1.5方案再优化

那么有没有办法保障操作的原子性呢，这里可以使用lua彻底解决，lua是嵌入式语言，redis本身支持。使用golang操作redis运行lua命令，保障问题解决。上代码如下：

func lock(myfunc func()) {
    //...code
    //unlock
    var luaScript = redis.NewScript(`
        if redis.call("get", KEYS[1]) == ARGV[1]
            then
                return redis.call("del", KEYS[1])
            else
                return 0
        end
    `)
    rs, _ := luaScript.Run(client, []string{lockKey}, uuid).Result()
    if rs == 0 {
        fmt.Println("unlock fail")
    } else {
        fmt.Println("unlock")
    }
}

lua脚本中KEYS[1]代表lock的key，ARGV[1]代表lock的value，也就是生成的uuid。通过执行lua来保障这里删除锁的操作是原子的。

完整代码参见：https://github.com/skyhackvip/lock/blob/master/redislualock.go

1.6redis锁适用场景

由redis设置的锁，多个并发任务进行争抢占用，因此非常适合高并发情况下，用来进行抢锁。

2.zookeeper锁

2.1实现原理

使用zk的临时节点插入值，如果插入成功后watch会通知所有监听节点，此时其他并行任务不可再进行插入。具体图示如下：

2.2代码实现


import "github.com/samuel/go-zookeeper/zk" //package
//connect zk
conn, _, err := zk.Connect([]string{"localhost:2181"}, time.Second)
//zklock
func zklock(conn *zk.Conn, myfunc func()) {
    lock := zk.NewLock(conn, "/mylock", zk.WorldACL(zk.PermAll))    
    err := lock.Lock()
    if err != nil {
        panic(err)
    }   
    fmt.Println("get lock")
    myfunc()
    lock.Unlock()
    fmt.Println("unlock")
}
//goroutine run
for i := 0; i < 5; i++ {
     go zklock(conn, incr)
}

完整代码参见：https://github.com/skyhackvip/lock/blob/master/zklock.go

执行结果如下：

每次执行，执行结果都是5。

2.3zookeeper锁适用场景

相比于redis抢锁导致其他routine抢锁失败退出，使用zk实现的锁会让其他routine处于“等锁”状态。

3.方案对比选择

	redis锁	zookeeper锁
描述	使用set nx实现	使用临时节点+watch实现
依赖	redis	zookeeper
适用场景	并发抢锁	锁占用时间长其他任务可等待。如消息幂等消费。
高可用性	redis发生故障主从切换等可能导致锁失效	利用paxos协议能保证分布式一致性，数据更可靠

如果不是对锁有特别高的要求，一般情况下使用redis锁就够了。除提到的这两种外使用etcd也可以完成锁需求，具体可以参考下方资料。

以上文章来源于技术岁月，作者Kavin

更多参考资料

etcd实现锁：

https://github.com/zieckey/etcdsync

文章相关实现代码：

https://github.com/skyhackvip/lock