從 Java 鎖到分布式鎖

作者：程序員小航 2021-11-26 06:43:19

開發(fā)

后端

分布式 在并發(fā)編程中常用到 synchronized 以及 ReentrantLock 鎖，在業(yè)務(wù)開發(fā)過程中也可能會(huì)用到分布式鎖，分布式鎖常用框架的就是基于 Redis 實(shí)現(xiàn)的分布式鎖框架 Redisson 和 基于 Zookeeper 實(shí)現(xiàn)的分布式鎖框架 Curator。當(dāng)然，也有其他的鎖實(shí)現(xiàn)方式，在這里不做介紹。

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前言

在并發(fā)編程中常用到 synchronized 以及 ReentrantLock 鎖，在業(yè)務(wù)開發(fā)過程中也可能會(huì)用到分布式鎖，分布式鎖常用框架的就是基于 Redis 實(shí)現(xiàn)的分布式鎖框架 Redisson 和 基于 Zookeeper 實(shí)現(xiàn)的分布式鎖框架 Curator。當(dāng)然，也有其他的鎖實(shí)現(xiàn)方式，在這里不做介紹。

本文主要是在學(xué)習(xí) Java 鎖以及分布式鎖的源碼后，做出的歸納總結(jié)。

1鎖的最基本要素

為什么要使用鎖?

關(guān)于為什么要使用鎖這個(gè)問題，答案顯而易見：“為了避免多線程并發(fā)沖突”。

在多線程中對(duì)公共數(shù)據(jù)的修改，必須要保證只有線程在進(jìn)行操作。這里的公共數(shù)據(jù)可以是公共變量，也可以是數(shù)據(jù)庫中的一行數(shù)據(jù)。

鎖的基本要素

知道為什么要加鎖之后，就可以得出加鎖的基本要素：

• 鎖標(biāo)志：怎么樣才算加鎖成功?
• 鎖持有者：是哪個(gè)線程加的鎖?
• 鎖重入：自己加了鎖之后，再次加鎖?
• 鎖并發(fā)：并發(fā)加鎖失敗的線程該怎么辦?
• 鎖釋放：用完鎖，該怎么釋放?

簡(jiǎn)單來說應(yīng)該就是這些要素，遺漏之處，歡迎補(bǔ)充。

2加鎖標(biāo)志

加鎖標(biāo)志，就是需要一個(gè)標(biāo)志來表示是否加鎖成功，并且這個(gè)加鎖標(biāo)志要保證原子性。

• synchronized 底層是 C++ 實(shí)現(xiàn)的，在 ObjectMonitor 對(duì)象中有一個(gè) _count 參數(shù)用來標(biāo)識(shí)是否持有鎖。
• ReentrantLock 基于 AQS 實(shí)現(xiàn)，其中 state 表示線程是否持有鎖。ReentrantReadWriteLock 同樣基于 AQS 實(shí)現(xiàn)，其中 state 高 16 位表示讀鎖，低 16 位表示寫鎖。
• Redisson 是基于 Redis 的 Hash 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，其中加鎖 key 是否存在，可以表示是否加鎖。
• Curator 基于 ZooKeeper 臨時(shí)順序節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，判斷加鎖路徑下是否存在該節(jié)點(diǎn)，來表示是否加鎖。

3鎖持有者

• 鎖持有者，肯定是當(dāng)前線程，但是在分布式鎖中還需要加上機(jī)器，用來防止服務(wù)之間的線程沖突。
• synchronized 在 ObjectMonitor 對(duì)象中 _owner 是指獲得鎖的線程。
• ReentrantLock 和 ReentrantReadWriteLock 是在 AQS 的 Node 節(jié)點(diǎn)中有 Thread 對(duì)象，用來表示獲得鎖的線程。
• Redisson 在 Hash 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的 field 字段存放的是 UUID:ThreadId，從而保證在多個(gè)服務(wù)實(shí)例時(shí)防止并發(fā)沖突。
• Curator 創(chuàng)建的臨時(shí)順序節(jié)點(diǎn)包含 UUID，表示加鎖機(jī)器，結(jié)構(gòu)比如 /locks/lock_01/_c_UUID-lock-0000000000。

4鎖重入

當(dāng)獲得鎖的線程再次嘗試獲取鎖的時(shí)候，保證需要計(jì)數(shù)。

• synchronized 會(huì)對(duì) _count 進(jìn)行累加，CAS 更新。
• ReentrantLock 會(huì)對(duì) AQS 的 state 進(jìn)行累加，CAS 更新。
• Redisson 使用 Lua 腳本，對(duì) Hash 結(jié)構(gòu)的 value 進(jìn)行累加。
• Curator 是在 Java 代碼中維護(hù)了一個(gè) AtomicInteger 類型的 lockCount 字段，用來表示重入。

5鎖等待

• synchronized 并發(fā)加鎖失敗線程會(huì)自旋等待，涉及到偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖的鎖升級(jí)流程。

1. 剛開始是無鎖的
2. 偏向鎖：一段同步代碼一直被一個(gè)線程訪問，這個(gè)線程自動(dòng)獲取鎖，大多數(shù)都是由同一個(gè)線程獲取鎖，這就會(huì)出現(xiàn)偏向鎖。目的是只有一個(gè)線程執(zhí)行同步代碼塊時(shí)提高性能，JDK 6 后在 JVM 中默認(rèn)開啟。對(duì)象頭標(biāo)志位(01-無鎖) 是否偏向鎖標(biāo)志(1-是偏向鎖)
3. 輕量級(jí)鎖：鎖是偏向鎖時(shí)，被其他線程訪問，偏向鎖就升級(jí)為輕量級(jí)鎖，其他線程通過自旋形式嘗試獲取鎖 對(duì)象頭標(biāo)志位 00
4. 重量級(jí)鎖：只有一個(gè)線程等待，該線程是在自旋等待獲取鎖。當(dāng)自旋一定次數(shù)或者一個(gè)持有鎖一個(gè)自旋時(shí)來了第三個(gè)線程，就會(huì)升級(jí)為重量級(jí)鎖。對(duì)象頭標(biāo)志位 10

• ReentrantLock 會(huì)放到 AQS 雙向同步隊(duì)列中，監(jiān)聽上一個(gè)節(jié)點(diǎn)是否為虛擬頭結(jié)點(diǎn)，是則嘗試獲取鎖。
  • 非公平鎖新線程會(huì)默認(rèn)參加搶鎖，公平鎖會(huì)先查看隊(duì)列是否為空。
  • 自旋等待時(shí)會(huì)使用 LockSupport.park() 方法，這時(shí)候會(huì)讓出 CPU 資源，其他線程會(huì)調(diào)用 LockSupport.unpark()。
  • 可以使用 tryLock 方法設(shè)置時(shí)間，在指定時(shí)間內(nèi)獲取鎖失敗或者被中斷，則會(huì)返回加鎖失敗。
• Redisson 并發(fā)加鎖，失敗線程會(huì)獲取到當(dāng)前鎖的超時(shí)時(shí)間，然后通過 Semaphore tryAcquire 方法阻塞一定時(shí)間后，再次嘗試獲取鎖。
  • 公平鎖會(huì)額外使用 Redis 的 List 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來當(dāng)做線程等待隊(duì)列，使用 sorted set 有序集合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存放等待線程的順序(score 是超時(shí)時(shí)間戳)。
• Curator 并發(fā)加鎖會(huì)直接創(chuàng)建臨時(shí)順序節(jié)點(diǎn)，然后監(jiān)聽順序節(jié)點(diǎn)中自己的上一個(gè)節(jié)點(diǎn)(防止羊群效應(yīng))，默認(rèn)是公平鎖。

6鎖釋放

• synchronized 不需要手動(dòng)釋放。
• ReentrantLock 對(duì) state 遞減為 0 后，喚醒后續(xù)節(jié)點(diǎn)，有后續(xù)節(jié)點(diǎn)需要調(diào)用 LockSupport.unpark(s.thread)。
• Redisson 主動(dòng)釋放直接刪除 key 即可。超時(shí)釋放即服務(wù)宕機(jī)，沒有看門狗續(xù)租了，指定時(shí)間后，Redis Key 就會(huì)被自動(dòng)釋放。
• Curator 主動(dòng)釋放會(huì)刪除節(jié)點(diǎn)，如果服務(wù)宕機(jī)了，節(jié)點(diǎn)會(huì)被自動(dòng)刪除。

7總結(jié)

本文從多個(gè)角度總結(jié)分析了鎖和分布式鎖的基本要素，同樣基于 MySQL 等數(shù)據(jù)庫的鎖可以參考實(shí)現(xiàn)。

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