面试题：并发与同步：同步原语在分布式多线程环境中的应用及问题解决

Question

在一个分布式系统中，多个节点的线程需要对共享资源进行读写操作。由于网络延迟和节点故障等问题，传统的本地同步原语不能直接使用。假设你使用分布式锁（如基于Zookeeper实现的分布式锁）作为同步原语来控制对共享资源的访问。请描述如何设计一个健壮的读写机制，以保证在高并发、网络不稳定且存在节点故障的情况下，数据的一致性和系统的可用性。同时，分析可能出现的死锁、活锁等问题，并提出相应的解决方案。

Answer 1

设计健壮的读写机制

1. 读操作设计
   • 获取读锁：线程在进行读操作前，先尝试获取分布式读锁（例如基于Zookeeper创建临时顺序节点实现读锁）。只有获取到读锁后，才能进行读操作。
   • 读锁释放：读操作完成后，立即释放读锁，以允许其他线程获取锁进行读写操作。
2. 写操作设计
   • 获取写锁：线程执行写操作前，尝试获取分布式写锁（同样基于Zookeeper创建临时顺序节点，但优先级高于读锁节点）。
   • 数据写入：成功获取写锁后，进行数据写入操作。
   • 写锁释放：写操作完成后，释放写锁。
3. 数据一致性保证
   • 写后同步：在写操作完成后，通过一定的机制（如消息队列、分布式日志等）通知所有节点数据已更新，各节点进行数据同步。
   • 版本控制：为共享资源添加版本号，每次写操作更新版本号。读操作时，读取数据的同时获取版本号，当发现版本号不一致时，重新读取数据。
4. 系统可用性保证
   • 锁服务高可用：使用多个Zookeeper节点组成集群，保证分布式锁服务的高可用性。即使部分节点故障，锁服务依然能正常工作。
   • 重试机制：当由于网络不稳定等原因获取锁失败时，线程进行重试操作，设置合理的重试次数和重试间隔时间。

死锁问题分析及解决方案

1. 死锁分析
   • 在分布式环境中，死锁可能发生在多个线程竞争不同类型锁（读锁和写锁）的情况下。例如，线程A持有读锁，请求写锁；线程B持有写锁，请求读锁，双方互相等待，造成死锁。
2. 解决方案
   • 锁获取顺序：规定所有线程获取锁的顺序，例如先获取读锁，再获取写锁，并且获取锁失败时，释放已持有的锁。
   • 超时机制：为锁获取操作设置超时时间，当获取锁超过一定时间仍未成功时，释放已持有的锁，防止无限等待。

活锁问题分析及解决方案

1. 活锁分析
   • 活锁可能发生在多个线程不断重试获取锁，但由于网络抖动等原因，始终无法成功获取锁，导致线程一直在重试，消耗系统资源。
2. 解决方案
   • 随机延迟：在每次重试获取锁之前，线程进行随机延迟，避免多个线程同时重试，减少竞争冲突。
   • 自适应重试策略：根据系统负载和网络状况，动态调整重试间隔时间和重试次数，避免过度重试。