面试题：Java中Lock类别及应用场景 - 专家难度

Question

在一个分布式系统中，多个节点需要对共享资源进行加锁操作，现使用Java的Lock机制来实现，考虑到网络延迟、节点故障等问题，如何设计一个健壮且高效的分布式锁方案？请阐述具体的设计思路及涉及到的Lock类别和关键技术点。

Answer 1

设计思路

1. 基于Redis的分布式锁：利用Redis的单线程特性以及SETNX（SET if Not eXists）命令。多个节点尝试使用SETNX命令设置一个特定的键值对来获取锁，如果设置成功则表示获取到锁，否则获取失败。释放锁时删除该键值对。为了防止节点故障导致锁无法释放，需要给锁设置一个合理的过期时间。
2. 基于Zookeeper的分布式锁：利用Zookeeper的临时顺序节点特性。每个节点在Zookeeper的特定路径下创建一个临时顺序节点，节点创建成功后，获取该路径下所有子节点并排序，判断自己创建的节点是否是序号最小的节点，如果是则获取到锁，否则监听比自己序号小的前一个节点。当前一个节点释放锁（即节点被删除）时，会收到通知，此时再次判断自己是否是最小序号节点从而决定是否获取锁。
3. 使用Redisson框架：Redisson是一个在Redis的基础上实现的Java驻内存数据网格（In-Memory Data Grid）。它对Redis进行了高层次的封装，提供了丰富的分布式锁实现。例如Redisson提供的RLock接口，它内部使用Lua脚本来保证加锁和解锁操作的原子性，并且支持可重入锁、公平锁等多种特性。

Lock类别

1. 可重入锁：同一个线程可以多次获取同一把锁，不会造成死锁。例如在基于Redis的实现中，通过在value中记录获取锁的线程标识以及重入次数来实现可重入性；在Redisson中，RLock默认就是可重入锁。
2. 公平锁：按照请求锁的顺序依次分配锁，避免某些线程长时间等待。在Zookeeper实现中，由于是基于顺序节点，天然具有公平性；Redisson也提供了公平锁的实现，通过配置可以使用公平锁模式。

关键技术点

1. 锁的过期时间设置：既要防止节点故障导致锁永远无法释放，又要避免过期时间过短导致业务未完成锁就被释放。需要根据业务执行时间的预估来合理设置。在基于Redis的实现中，使用SET命令的EX参数设置过期时间；在Redisson中，也可以通过构造方法等方式设置锁的过期时间。
2. 网络延迟处理：在基于Redis的方案中，可能因为网络延迟导致SETNX命令执行成功但响应未及时返回，从而其他节点误判锁未被获取。可以通过给每个节点设置一个唯一的标识，在解锁时先判断锁的持有者是否是自己，避免误解锁。在Zookeeper方案中，由于Zookeeper本身有一定的容错机制，网络延迟可能会导致节点与Zookeeper集群短暂失联，此时Zookeeper会进行选举等操作来保证数据一致性，节点恢复连接后重新参与锁的竞争。
3. 故障恢复：对于基于Redis的方案，当Redis节点故障时，如果是主从架构，可能存在数据同步延迟问题，导致锁的一致性出现问题。此时可以考虑使用Redis的集群模式，并且利用Redisson等框架来处理故障转移。对于Zookeeper方案，Zookeeper集群本身具有一定的容错能力，当某个Zookeeper节点故障时，集群会自动进行选举新的Leader，保证数据一致性和锁服务的可用性。