分布式锁是一种在分布式系统中控制资源共享的机制。
一、背景和作用
在单机环境下，当多个线程同时访问共享资源时，可以通过线程锁（如 Java 中的 synchronized 关键字、ReentrantLock 等）来保证操作的原子性、可见性和有序性，避免出现数据不一致等问题。然而在分布式系统中，多个不同的进程（可能运行在不同的服务器上）会同时访问共享资源。例如，在电商系统中，多个服务实例可能同时处理库存扣减操作。如果没有有效的控制机制，就可能出现超卖等情况。分布式锁就像是在分布式环境下的一种 “交通信号灯”，能够保证同一时刻只有一个进程能够获取到锁，从而对共享资源进行独占式的访问。
二、常见的分布式锁实现方式
1. 基于数据库实现
• 可以创建一个锁表，其中包含锁的标识（如锁的名称）、获取锁的进程标识等字段。当一个进程想要获取锁时，就尝试向锁表中插入一条记录。如果插入成功，说明获取到了锁；如果插入失败（因为违反了唯一约束等），则说明锁已经被其他进程获取。例如，有一个分布式任务调度系统，多个调度节点需要对一个周期性任务进行调度。在任务开始执行前，每个节点都尝试向数据库锁表中插入一条对应任务的锁记录。只有成功插入的节点才能执行任务。
• 不过，这种方式存在一些问题。数据库操作可能会成为性能瓶颈，因为频繁的插入和查询操作会增加数据库的负载。而且，在高并发情况下，数据库的事务处理可能会比较复杂，例如需要考虑死锁检测等问题。
2. 基于缓存（如 Redis）实现
• Redis 是一个高性能的键值存储数据库，它提供了原子性的操作命令，这使得它非常适合用来实现分布式锁。一种常见的方法是使用 SETNX（Set if Not Exist）命令。这个命令只有在键不存在时才设置键值。例如，当进程 A 想要获取锁时，它会尝试使用 SETNX 命令设置一个锁键（如 “lock:task1”）的值为某个随机字符串，并且设置键的过期时间。如果设置成功，就说明进程 A 获取到了锁。
• 然后，在执行完对共享资源的操作后，进程 A 会使用 DEL 命令删除这个锁键。同时，为了防止锁因为进程异常而无法释放（比如进程崩溃），设置了过期时间，这样即使进程没有正常释放锁，锁也会在一段时间后自动失效。不过，需要注意的是，要确保锁的获取和释放操作是原子性的，并且在实现过程中要考虑一些边界情况，如锁的续期等。
3. 基于 ZooKeeper 实现
• ZooKeeper 是一个高效的分布式协调服务。它通过创建临时顺序节点来实现分布式锁。当一个进程想要获取锁时，它会在 ZooKeeper 的某个指定节点下创建一个临时顺序节点。ZooKeeper 会为每个节点分配一个序号。进程会获取当前所有子节点的列表，并找到序号最小的节点。如果这个节点就是自己创建的节点，那么它就获取到了锁；如果不是，就监听比自己序号小 1 的节点。当持有锁的进程释放锁（删除对应的节点）时，会触发监听事件，下一个序号的进程就可以获取锁。
• 例如，在分布式文件系统中，多个节点需要对文件的写操作进行控制。通过 ZooKeeper 的分布式锁机制，可以确保同一时间只有一个节点能够对文件进行写操作，保证数据的一致性。
三、分布式锁的关键特性
1. 互斥性
• 这是分布式锁最基本的要求。在任何时刻，只有一个客户端能够持有锁。就像在一个房间只有一个钥匙，同一时间只能有一个人用这个钥匙打开门进入房间一样。
2. 容错性
• 分布式系统中，节点可能会出现故障。一个好的分布式锁实现应该能够应对这种情况。例如，当持有锁的进程出现故障时，锁能够被其他进程正确地获取。在基于 Redis 的分布式锁中，通过设置锁的过期时间来实现容错性，当进程故障无法主动释放锁时，锁会在过期后自动释放。
3. 性能
• 获取和释放锁的操作应该尽量高效，因为分布式系统通常需要处理大量的并发请求。像 Redis 这种内存数据库实现的分布式锁，其操作速度相对较快，能够满足大多数高性能场景的需求。