面试题：分布式系统中分布式锁在分布式文件系统里如何保证数据一致性

Question

在分布式文件系统场景下，说明分布式锁是怎样确保不同节点对文件数据的读写操作满足一致性要求的，举例说明常用的分布式锁实现方式及其在该场景下的应用原理。

Answer 1

分布式锁确保读写操作一致性原理

在分布式文件系统中，多个节点可能同时尝试对文件数据进行读写操作。分布式锁通过以下方式确保一致性：

1. 互斥访问：在同一时刻，只有获得锁的节点能够对文件进行写操作或读操作（在读写锁场景下，可允许多个节点同时读），其他节点需等待锁释放，避免并发写入导致数据不一致，以及读写并发可能造成的脏读等问题。
2. 顺序执行：获得锁的节点按照顺序依次执行操作，使得文件数据的状态按照期望的顺序进行变更，确保所有节点看到的文件数据状态是一致的。

常用分布式锁实现方式及应用原理

基于 Redis 的分布式锁

1. 实现方式：利用 Redis 的 SETNX（SET if Not eXists）命令。当一个节点尝试获取锁时，使用 SETNX 命令在 Redis 中设置一个特定的键值对，如果设置成功（即键不存在），则表示该节点获得了锁；若设置失败（键已存在），则表示锁已被其他节点持有。
2. 应用原理：在分布式文件系统写操作前，节点先尝试获取 Redis 锁。获取成功后进行写操作，操作完成后通过 DEL 命令删除 Redis 中的锁键，释放锁。对于读操作，若需要保证一致性，也可先获取锁，确保读操作期间数据不会被其他节点修改。例如，在一个多节点的分布式文件存储系统中，节点 A 要对文件 file1 进行写入更新，它先尝试获取 Redis 锁，若获取成功，进行写入操作，完成后释放锁。此时若节点 B 也想操作该文件，在节点 A 释放锁前，节点 B 获取锁失败，只能等待。

基于 Zookeeper 的分布式锁

1. 实现方式：在 Zookeeper 中创建一个临时顺序节点。每个节点尝试获取锁时，在指定的锁目录下创建一个临时顺序节点。Zookeeper 会为每个节点分配一个唯一的序号，序号最小的节点获得锁。
2. 应用原理：在分布式文件系统的读写操作场景下，节点在 Zookeeper 中创建锁节点。例如，节点 C 要对文件 file2 进行读操作，它在 Zookeeper 锁目录下创建临时顺序节点。若它创建的节点序号最小，它就获得锁进行读操作，操作完成后删除该节点释放锁。若序号不是最小，它需要监听比它序号小的前一个节点，当前一个节点删除（释放锁）时，它收到通知后重新判断自己是否为最小序号节点，若是则获得锁进行操作。

基于数据库的分布式锁

1. 实现方式：利用数据库的排他锁机制。例如在 MySQL 中，可以使用 SELECT... FOR UPDATE 语句。当一个节点尝试获取锁时，执行一条 SELECT... FOR UPDATE 语句锁定特定的记录（可以是专门用于锁的表中的一条记录），只有获取到锁的节点才能继续执行后续操作。
2. 应用原理：在分布式文件系统对文件操作前，节点执行数据库的锁获取语句。如节点 D 要对文件 file3 进行写操作，它先执行 SELECT id FROM lock_table WHERE file_name = 'file3' FOR UPDATE，若成功锁定记录，则进行写操作，操作完成后通过提交事务释放锁（MySQL 中事务提交或回滚时会释放锁）。若其他节点同时尝试获取锁，由于记录已被锁定，只能等待锁释放。