Redis学习打卡-Day3-分布式ID生成策略、分布式锁

分布式 ID

• 当单机 MySQL 已经无法支撑系统的数据量时，就需要进行分库分表（推荐 Sharding-JDBC）。在分库之后， 数据遍布在不同服务器上的数据库，数据库的自增主键已经没办法满足生成的主键全局唯一了。这个时候就需要生成分布式 ID了。

分布式 ID 应满足的需求

• 一个最基本的分布式 ID 需要满足下面这些要求：
  • 全局唯一：ID 的全局唯一性肯定是首先要满足的！
  • 高性能：分布式 ID 的生成速度要快，对本地资源消耗要小。
  • 高可用：生成分布式 ID 的服务要保证可用性无限接近于 100%。
  • 有序递增：如果要把 ID 存放在数据库的话，ID 的有序性可以提升数据库写入速度。并且很多时候 ，我们还很有可能会直接通过 ID 来进行排序。
• 除了这些之外，一个比较好的分布式 ID 还应保证：
  • 安全：ID 中不包含敏感信息。
  • 方便易用：拿来即用，使用方便，快速接入！
  • 有具体的业务含义：生成的 ID 如果能有具体的业务含义，可以让定位问题以及开发更透明化（通过 ID 就能确定是哪个业务）。
  • 独立部署：也就是分布式系统单独有一个发号器服务，专门用来生成分布式 ID。这样就生成 ID 的服务可以和业务相关的服务解耦。不过，这样同样带来了网络调用消耗增加的问题。总的来说，如果需要用到分布式 ID 的场景比较多的话，独立部署的发号器服务还是很有必要的。

分布式 ID 的生成策略

1）UUID

• UUID 是 Universally Unique Identifier（通用唯一标识符） 的缩写。UUID 包含 32 个 16 进制数（8-4-4-4-12）。
• JDK 就提供了现成的生成 UUID 的方法，一行代码就行了。

  //输出示例：cb4a9ede-fa5e-4585-b9bb-d60bce986eaa
  UUID.randomUUID()
  

• 优点：生成速度通常比较快、简单易用。
• 缺点：
  • 存储消耗空间大（32 个字符串，128 位）。
  • 不安全（基于 MAC 地址生成 UUID 的算法会造成 MAC 地址泄露)。
  • 无序（非自增）。
  • 没有具体业务含义。
  • 需要解决重复 ID 问题（当机器时间不对的情况下，可能导致会产生重复 ID）。

2）Snowflake(雪花算法)

• Snowflake 是 Twitter 开源的分布式 ID 生成算法。Snowflake 由 64 bit 的二进制数字组成，这 64bit 的二进制被分成了几部分，每一部分存储的数据都有特定的含义：
  
  • sign(1bit)：符号位（标识正负），始终为 0，代表生成的 ID 为正数。
  • timestamp (41 bits)：一共 41 位，用来表示时间戳，单位是毫秒，可以支撑 2 ⁴¹ 毫秒（约 69 年）。
  • datacenter id + worker id (10 bits)：一般来说，前 5 位表示机房 ID，后 5 位表示机器 ID（实际项目中可以根据实际情况调整），这样就可以区分不同集群/机房的节点。
  • sequence (12 bits)：一共 12 位，用来表示序列号。 序列号为自增值，代表单台机器每毫秒能够产生的最大 ID 数(2¹² = 4096)，也就是说单台机器每毫秒最多可以生成 4096 个 唯一 ID。
• 优点：生成速度比较快、生成的 ID 有序递增、比较灵活（可以对 Snowflake 算法进行简单的改造比如加入业务 ID）。
• 缺点：
  • 需要解决重复 ID 问题（ID 生成依赖时间，在获取时间的时候，可能会出现时间回拨的问题，也就是服务器上的时间突然倒退到之前的时间，进而导致会产生重复 ID）。
  • 依赖机器 ID 对分布式环境不友好（当需要自动启停或增减机器时，固定的机器 ID 可能不够灵活）。

3）Redis自增

• 为了增加ID的安全性，我们可以不直接使用Redis自增的数值，而是拼接一些其它信息：
  
• 符号位：1bit，永远为0。
• 时间戳：31bit，以秒为单位，可以使用69年。
• 序列号：32bit，秒内的计数器，支持每秒产生2³²个不同ID。

锁

悲观锁

• 悲观锁总是假设最坏的情况，认为共享资源每次被访问的时候就会出现问题(比如共享数据被修改)，所以每次在获取资源操作的时候都会上锁，这样其他线程想拿到这个资源就会阻塞直到锁被上一个持有者释放。
• 也就是说，共享资源每次只给一个线程使用，其它线程阻塞，用完后再把资源转让给其它线程。
• 对于单机多线程来说，在 Java 中，我们通常使用 ReentrantLock 类、synchronized 关键字这类 JDK 自带的本地锁来控制一个 JVM 进程内的多个线程对本地共享资源的访问。

乐观锁

• 乐观锁总是假设最好的情况，认为共享资源每次被访问的时候不会出现问题，线程可以不停地执行，无需加锁也无需等待，只是在提交修改的时候去验证对应的资源是否被其它线程修改了（具体方法可以使用版本号机制或 CAS 算法）。
• 版本号机制
  • 一般是在数据表中加上一个数据版本号 version 字段，表示数据被修改的次数。
  • 当数据被修改时，version 值会+1。当线程 A 要更新数据值时，在读取数据的同时也会读取 version 值，在提交更新时，若刚才读取到的 version 值为当前数据库中的 version 值相等时才更新，否则重试更新操作，直到更新成功。
• CAS 算法
  • CAS 的全称是 Compare And Swap（比较与交换） ，用于实现乐观锁，被广泛应用于各大框架中。CAS 的思想很简单，就是用一个预期值和要更新的变量值进行比较，两值相等才会进行更新。
  • CAS 是一个原子操作，底层依赖于一条 CPU 的原子指令。
  • 当多个线程同时使用 CAS 操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败，但失败的线程并不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。
  • 问题：
    • "ABA"问题：如果一个变量 V 初次读取的时候是 A 值，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是 A 值，那我们就能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？很明显是不能的，因为在这段时间它的值可能被改为其他值，然后又改回 A，那 CAS 操作就会误认为它从来没有被修改过。
    • 循环时间长开销大：CAS 经常会用到自旋操作来进行重试，也就是不成功就一直循环执行直到成功。如果长时间不成功，会给 CPU 带来非常大的执行开销。
    • 只能保证一个共享变量的原子操作：CAS 操作仅能对单个共享变量有效。当需要操作多个共享变量时，CAS 就显得无能为力。

分布式锁

• 通过加synchronized锁可以解决在单机情况下的一人一单等安全问题，但是在集群模式下就不行了。
• 分布式系统下，不同的服务/客户端通常运行在独立的 JVM 进程上。如果多个 JVM 进程共享同一份资源的话，使用本地锁就没办法实现资源的互斥访问了。于是，分布式锁就诞生了。
  

分布式锁应满足的需求

• 一个最基本的分布式锁需要满足：
  • 互斥：任意一个时刻，锁只能被一个线程持有。
  • 高可用：锁服务是高可用的，当一个锁服务出现问题，能够自动切换到另外一个锁服务。并且，即使客户端的释放锁的代码逻辑出现问题，锁最终一定还是会被释放，不会影响其他线程对共享资源的访问。这一般是通过超时机制实现的。
  • 可重入：一个节点获取了锁之后，还可以再次获取锁。
• 除了上面这三个基本条件之外，一个好的分布式锁还需要满足下面这些条件：
  • 高性能：获取和释放锁的操作应该快速完成，并且不应该对整个系统的性能造成过大影响。
  • 非阻塞：如果获取不到锁，不能无限期等待，避免对系统正常运行造成影响。

分布式锁实现方案

基于 Redis 实现分布式锁

• 在 Redis 中， SETNX 命令是可以帮助我们实现互斥。SETNX 即 SET if Not eXists (对应 Java 中的 setIfAbsent 方法)，如果 key 不存在的话，才会设置 key 的值。如果 key 已经存在， SETNX 啥也不做。
• 为了避免锁无法被释放，我们可以给这个 key（也就是锁） 设置一个过期时间 。一定要保证设置指定 key 的值和过期时间是一个原子操作！！！ 不然的话，依然可能会出现锁无法被释放的问题。

  127.0.0.1:6379> SET lockKey uniqueValue EX 3 NX
  OK
  

• 释放锁的话，直接通过 DEL 命令删除对应的 key 即可。
• 为了防止误删其他的锁，这里我们建议使用 Lua 脚本通过 key 对应的 value（唯一值）来判断。选用 Lua 脚本是为了保证解锁操作的原子性。因为 Redis 在执行 Lua 脚本时，可以以原子性的方式执行，从而保证了锁释放操作的原子性。

  // 释放锁时，先比较锁对应的 value 值是否相等，避免锁的误释放
  if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
      return redis.call("del",KEYS[1])
  else
      return 0
  end
  

  

基于 Redis 的分布式锁存在的问题

• 不可重入
  • 同一个线程无法多次获取同一把锁。
  • 解决：利用hash结构，记录线程标示和重入次数。
• 不可重试
  • 获取锁只尝试一次就返回false，没有重试机制。
  • 解决：利用信号量控制锁重试
• 超时释放
  • 虽然可以避免死锁，但如果业务执行耗时较长，也会导致锁释放，存在安全隐患。
  • 解决：Watch Dog
• 主从一致性
  • 如果 Redis 提供了主从集群，主从同步存在延迟，当主宕机时，如果并未同步主中的锁数据，则会出现锁失效。
  • 解决：Redisson 的 multiLock，多个独立的 Redis 节点，必须在所有节点都获取重入锁，才算获取锁成功。

Redisson

• Redisson 是一个开源的 Java 语言 Redis 客户端，提供了很多开箱即用的功能，不仅仅包括多种分布式锁的实现。并且，Redisson 还支持 Redis 单机、Redis Sentinel、Redis Cluster 等多种部署架构。
• Redisson 中的分布式锁自带自动续期机制，使用起来非常简单，原理也比较简单，其提供了一个专门用来监控和续期锁的 Watch Dog（ 看门狗），如果操作共享资源的线程还未执行完成的话，Watch Dog 会不断地延长锁的过期时间，进而保证锁不会因为超时而被释放。
  
• 默认情况下，每过 10 秒，看门狗就会执行续期操作，将锁的超时时间设置为 30 秒。看门狗续期前也会先判断是否需要执行续期操作，需要才会执行续期，否则取消续期操作。