分布式锁
本例将使用的场景模拟：商品秒杀，或者说高并发下，对于商品库存扣减操作。我用一个SpringBoot小项目模拟一下该操作。
本例用到的技术栈：
- SpringBoot
- Redis
- etcd
在正式肝代码之前，先来对etcd分布式锁实现的机制和原理做一个了解。
etcd分布式锁实现的基础机制
Lease机制
租约机制（TTL，Time To Live），etcd 可以为存储的 key-value 对设置租约，当租约到期，key-value 将失效删除；
同时也支持续约，通过客户端可以在租约到期之前续约， 以避免 key-value 对过期失效。
Lease 机制可以保证分布式锁的安全性，为锁对应的 key 配置租约， 即使锁的持有者因故障而不能主动释放锁，锁也会因租约到期而自动释放。
Revision机制
每个 key 带有一个 Revision 号，每进行一次事务便+1，它是全局唯一的， 通过 Revision 的大小就可以知道进行写操作的顺序。
在实现分布式锁时，多个客户端同时抢锁， 根据 Revision 号大小依次获得锁，可以避免 “羊群效应” ，实现公平锁。
羊群效应：羊群是一种很散乱的组织，平时在一起也是盲目地左冲右撞，但一旦有一只头羊动起来，其他的羊也会不假思索地一哄而上，全然不顾旁边可能有的狼和不远处更好的草。
etcd的Revision机制，可以根据Revision号的大小顺序进行写操作，因而可以避免“羊群效应”。
这和zookeeper的临时顺序节点+监听机制可以避免羊群效应的原理是一致的。
Prefix机制
即前缀机制。例如，一个名为 /etcd/lock 的锁，两个争抢它的客户端进行写操作， 实际写入的 key 分别为：key1="/etcd/lock/UUID1"，key2="/etcd/lock/UUID2"。
其中，UUID 表示全局唯一的 ID，确保两个 key 的唯一性。
写操作都会成功，但返回的 Revision 不一样， 那么，如何判断谁获得了锁呢？通过前缀 /etcd/lock 查询，返回包含两个 key-value 对的的 KeyValue 列表， 同时也包含它们的 Revision，通过 Revision 大小，客户端可以判断自己是否获得锁。
Watch机制
即监听机制。Watch 机制支持 Watch 某个固定的 key，也支持 Watch 一个范围（前缀机制）。
当被 Watch 的 key 或范围发生变化，客户端将收到通知；在实现分布式锁时，如果抢锁失败， 可通过 Prefix 机制返回的 Key-Value 列表获得 Revision 比自己小且相差最小的 key（称为 pre-key）， 对 pre-key 进行监听，因为只有它释放锁，自己才能获得锁，如果 Watch 到 pre-key 的 DELETE 事件， 则说明 pre-key 已经释放，自己将持有锁。
etcd分布式锁原理图
etcd分布式锁的实现流程
- 建立连接
客户端连接 etcd，以 /etcd/lock 为前缀创建全局唯一的 key， 假设第一个客户端对应的 key="/etcd/lock/UUID1"，第二个为 key="/etcd/lock/UUID2"； 客户端分别为自己的 key 创建租约 - Lease，租约的长度根据业务耗时确定；
- 创建定时任务作为租约的“心跳”
当一个客户端持有锁期间，其它客户端只能等待，为了避免等待期间租约失效， 客户端需创建一个定时任务作为“心跳”进行续约。此外，如果持有锁期间客户端崩溃， 心跳停止，key 将因租约到期而被删除，从而锁释放，避免死锁；
- 客户端将自己全局唯一的 key 写入 etcd
执行 put 操作，将步骤 1 中创建的 key 绑定租约写入 Etcd，根据 Etcd 的 Revision 机制， 假设两个客户端 put 操作返回的 Revision 分别为 1、2，客户端需记录 Revision 用于接下来判断自己是否获得锁；
- 客户端判断是否获得锁
客户端以前缀 /etcd/lock/ 读取 key-Value 列表，判断自己 key 的 Revision 是否为当前列表中 最小的，如果是则认为获得锁；否则监听列表中前一个 Revision 比自己小的 key 的删除事件，一旦监听到删除事件或者因租约失效而删除的事件，则自己获得锁；
- 执行业务
获得锁后，操作共享资源，执行业务代码
- 释放锁
完成业务流程后，删除对应的key释放锁
肝代码
有了以上理论做基础，我们开始etcd分布式锁的代码实现。
jetcd客户端
jetcd是etcd的Java客户端，它提供了丰富的接口来操作etcd，使用方便。
redis数据准备
初始化库存stock=300，再设置一个lucky=0，表示抢到库存的人，实际场景中可以是用户订单信息，每扣减一个库存，lucky便加1。
etcd分布式锁的实现
由于etcd的Lock接口有一套自己的实现，zookeeper的Lock接口也有自己的一套实现，redis...各种分布式锁实现方案都有自己的Lock，因此，我封装了一个模板方法：
/**
* @program: distributed-lock
* @description: 各种分布式锁的基类，模板方法
* @author: 行百里者
* @create: 2020/10/14 12:29
**/
public class AbstractLock implements Lock {
@Override
public void lock() {
throw new RuntimeException("请自行实现该方法");
}
@Override
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
throw new RuntimeException("请自行实现该方法");
}
@Override
public boolean tryLock() {
throw new RuntimeException("请自行实现该方法");
}
@Override
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
throw new RuntimeException("请自行实现该方法");
}
@Override
public void unlock() {
throw new RuntimeException("请自行实现该方法");
}
@Override
public Condition newCondition() {
throw new RuntimeException("请自行实现该方法");
}
}有了这个模板方法之后，后续分布式锁的实现均可以继承这个模板方法类。
etcd分布式锁的实现：
@Data
public class EtcdDistributedLock extends AbstractLock {
private final static Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(EtcdDistributedLock.class);
private Client client;
private Lock lockClient;
private Lease leaseClient;
private String lockKey;
//锁路径，方便记录日志
private String lockPath;
//锁的次数
private AtomicInteger lockCount;
//租约有效期。作用 1：客户端崩溃，租约到期后自动释放锁，防止死锁 2：正常执行自动进行续租
private Long leaseTTL;
//续约锁租期的定时任务，初次启动延迟，默认为1s，根据实际业务需要设置
private Long initialDelay = 0L;
//定时任务线程池
ScheduledExecutorService scheduledExecutorService;
//线程与锁对象的映射
private final ConcurrentMap threadData = Maps.newConcurrentMap();
public EtcdDistributedLock(Client client, String lockKey, Long leaseTTL, TimeUnit unit) {
this.client = client;
this.lockClient = client.getLockClient();
this.leaseClient = client.getLeaseClient();
this.lockKey = lockKey;
this.leaseTTL = unit.toNanos(leaseTTL);
scheduledExecutorService = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();
}
@Override
public void lock() {
}
@Override
public void unlock() {
}
} 其中lock方法的实现：
@Override
public void lock() {
Thread currentThread = Thread.currentThread();
LockData existsLockData = threadData.get(currentThread);
//System.out.println(currentThread.getName() + " 加锁 existsLockData：" + existsLockData);
//锁重入
if (existsLockData != null && existsLockData.isLockSuccess()) {
int lockCount = existsLockData.lockCount.incrementAndGet();
if (lockCount < 0) {
throw new Error("超出etcd锁可重入次数限制");
}
return;
}
//创建租约，记录租约id
long leaseId;
try {
leaseId = leaseClient.grant(TimeUnit.NANOSECONDS.toSeconds(leaseTTL)).get().getID();
//续租心跳周期
long period = leaseTTL - leaseTTL / 5;
//启动定时续约
scheduledExecutorService.scheduleAtFixedRate(new KeepAliveTask(leaseClient, leaseId),
initialDelay,
period,
TimeUnit.NANOSECONDS);
//加锁
LockResponse lockResponse = lockClient.lock(ByteSequence.from(lockKey.getBytes()), leaseId).get();
if (lockResponse != null) {
lockPath = lockResponse.getKey().toString(StandardCharsets.UTF_8);
LOGGER.info("线程：{} 加锁成功，锁路径：{}", currentThread.getName(), lockPath);
}
//加锁成功，设置锁对象
LockData lockData = new LockData(lockKey, currentThread);
lockData.setLeaseId(leaseId);
lockData.setService(scheduledExecutorService);
threadData.put(currentThread, lockData);
lockData.setLockSuccess(true);
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}简而言之，加锁的代码就是按照如下步骤来的：
- 检查锁重入性
- 设置租约
- 开启定时任务心跳检查
- 阻塞获取锁
- 加锁成功，设置锁对象
业务处理完成（扣减库存）后，解锁：
@Override
public void unlock() {
Thread currentThread = Thread.currentThread();
//System.out.println(currentThread.getName() + " 释放锁..");
LockData lockData = threadData.get(currentThread);
//System.out.println(currentThread.getName() + " lockData " + lockData);
if (lockData == null) {
throw new IllegalMonitorStateException("线程：" + currentThread.getName() + " 没有获得锁，lockKey：" + lockKey);
}
int lockCount = lockData.lockCount.decrementAndGet();
if (lockCount > 0) {
return;
}
if (lockCount < 0) {
throw new IllegalMonitorStateException("线程：" + currentThread.getName() + " 锁次数为负数，lockKey：" + lockKey);
}
try {
//正常释放锁
if (lockPath != null) {
lockClient.unlock(ByteSequence.from(lockPath.getBytes())).get();
}
//关闭续约的定时任务
lockData.getService().shutdown();
//删除租约
if (lockData.getLeaseId() != 0L) {
leaseClient.revoke(lockData.getLeaseId());
}
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
//e.printStackTrace();
LOGGER.error("线程：" + currentThread.getName() + "解锁失败。", e);
} finally {
//移除当前线程资源
threadData.remove(currentThread);
}
LOGGER.info("线程：{} 释放锁", currentThread.getName());
}解锁过程：
- 重入性检查
- 移除当前锁的节点路径释放锁
- 清除重入的线程资源
接口测试
/**
* @program: distributed-lock
* @description: etcd分布式锁演示-高并发下库存扣减
* @author: 行百里者
* @create: 2020/10/15 13:24
**/
@RestController
public class StockController {
private final StringRedisTemplate redisTemplate;
@Value("${server.port}")
private String port;
@Value("${etcd.lockPath}")
private String lockKey;
private final Client etcdClient;
public StockController(StringRedisTemplate redisTemplate, @Value("${etcd.servers}") String servers) {
//System.out.println("etcd servers:" + servers);
this.redisTemplate = redisTemplate;
this.etcdClient = Client.builder().endpoints(servers.split(",")).build();
}
@RequestMapping("/stock/reduce")
public String reduceStock() {
Lock lock = new EtcdDistributedLock(etcdClient, lockKey, 30L, TimeUnit.SECONDS);
//获得锁
lock.lock();
//扣减库存
int stock = Integer.parseInt(redisTemplate.opsForValue().get("stock"));
if (stock > 0) {
int realStock = stock - 1;
redisTemplate.opsForValue().set("stock", String.valueOf(realStock));
//同时lucky+1
redisTemplate.opsForValue().increment("lucky");
} else {
System.out.println("库存不足");
}
//释放锁
lock.unlock();
return port + " reduce stock end!";
}
}这个就很简单了，当一个请求打进来，先试图上锁，上锁成功后，执行业务，扣减库存，同时订单信息+1，业务处理完成后，释放锁。
压力测试
测试接口已经完成，用JMeter模拟高并发场景，在同一时刻同时发送500个请求（库存只有300），观察结果。
先启动两个服务，一个8080，一个8090：
配置nginx（主要为了方便模拟高并发和分布式）：
nginx的IP地址是192.168.2.10：
因此，我们压力测试，只需要向
http://192.168.2.10/stock/reduce 接口发送请求即可。
执行压测结果：
从结果表明我们的etcd分布式锁成功！
本项目源代码地址：github.com/xblzer/dist…
作者：行百里er
链接：
https://juejin.im/post/6883866765890322445
来源：掘金