面试题：分布式系统中基于分布式锁实现资源竞争控制的常见方案有哪些

Question

请阐述在分布式系统里，基于分布式锁来处理资源竞争控制，你所知道的常见实现方案，并简要说明每种方案的优缺点。

Answer 1

基于数据库实现分布式锁

1. 实现方式：
   • 利用数据库的唯一约束来实现。例如，在数据库中创建一张锁表，表中包含一个唯一索引字段。当需要获取锁时，向该表插入一条记录，利用唯一索引的特性，如果插入成功则获取到锁，否则获取锁失败。当释放锁时，删除该记录。
2. 优点：
   • 实现简单，对于熟悉数据库操作的开发人员容易上手。
   • 可靠性较高，基于成熟的数据库系统，数据持久化，即使系统重启，锁的状态也能保持。
3. 缺点：
   • 性能问题，数据库的读写操作性能相对较低，在高并发场景下，频繁的插入和删除操作可能成为性能瓶颈。
   • 锁的粒度较粗，无法满足更细粒度的锁控制需求。
   • 可能存在死锁问题，如果某个事务在获取锁后未正常释放锁就发生故障，可能导致其他事务一直无法获取锁。

基于Redis实现分布式锁

1. 实现方式：
   • 利用Redis的SETNX（SET if Not eXists）命令来实现。当一个客户端执行SETNX key value命令，如果key不存在，则设置成功并返回1，即获取到锁；如果key已存在，则返回0，获取锁失败。释放锁时，通过DEL命令删除该key。为了防止死锁，通常还会给锁设置一个过期时间。
2. 优点：
   • 性能高，Redis是基于内存的高性能键值存储系统，能快速处理锁的获取和释放操作，适合高并发场景。
   • 灵活性好，可以方便地设置锁的过期时间，有效避免死锁。
   • 支持多种数据结构，可基于不同数据结构实现更复杂的锁逻辑。
3. 缺点：
   • 可靠性依赖Redis集群，若Redis集群出现故障，可能导致锁服务不可用。
   • 锁的过期时间设置较难，设置过短可能导致业务未完成锁就过期，设置过长则可能在故障时长时间占用锁资源。
   • 存在锁误删风险，比如客户端A获取锁后，由于业务执行时间较长，锁过期被Redis自动删除，此时客户端B获取到锁，而客户端A执行完业务后去释放锁，就会误删客户端B的锁。

基于Zookeeper实现分布式锁

1. 实现方式：
   • 在Zookeeper中创建一个持久化节点作为锁的根节点，每个客户端尝试获取锁时，在根节点下创建一个临时顺序节点。客户端获取根节点下所有子节点并排序，判断自己创建的节点序号是否最小，如果是则获取到锁，否则监听比自己序号小的前一个节点的删除事件。当持有锁的客户端释放锁（即删除自己创建的临时节点）时，下一个等待的客户端会收到通知并尝试获取锁。
2. 优点：
   • 可靠性高，Zookeeper采用了 Zab 协议保证数据的一致性和可靠性，即使部分节点故障，也能保证锁服务的正常运行。
   • 支持公平锁，通过临时顺序节点的机制，天然支持公平锁，能避免某些客户端长时间等待锁的情况。
   • 自动释放锁，由于创建的是临时节点，客户端与Zookeeper断开连接后，节点会自动删除，即锁自动释放，避免死锁。
3. 缺点：
   • 性能相对较低，Zookeeper的写操作性能不如Redis，因为Zookeeper为了保证数据一致性，写操作需要过半节点确认。
   • 实现相对复杂，涉及到节点的创建、监听等操作，代码实现比基于数据库或Redis的锁复杂。
   • 网络开销较大，客户端需要频繁与Zookeeper集群进行通信，获取节点状态和监听事件。