分布式環(huán)境下，互斥性與冪等性問題，分析與解決思路
[導(dǎo)讀]隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)量不斷增大，業(yè)務(wù)邏輯也日趨復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)的高并發(fā)訪問、海量數(shù)據(jù)處理的場(chǎng)景也越來越多。如何用較低成本實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可用、易伸縮、可擴(kuò)展等目標(biāo)就顯得越發(fā)重要。為了解決這一系列問題，系統(tǒng)架構(gòu)也在不斷演進(jìn)。傳統(tǒng)的集中式系統(tǒng)已經(jīng)逐漸無法滿足要求，分布式系統(tǒng)被使...
隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)量不斷增大，業(yè)務(wù)邏輯也日趨復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)的高并發(fā)訪問、海量數(shù)據(jù)處理的場(chǎng)景也越來越多。如何用較低成本實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可用、易伸縮、可擴(kuò)展等目標(biāo)就顯得越發(fā)重要。
為了解決這一系列問題，系統(tǒng)架構(gòu)也在不斷演進(jìn)。傳統(tǒng)的集中式系統(tǒng)已經(jīng)逐漸無法滿足要求，分布式系統(tǒng)被使用在更多的場(chǎng)景中。分布式系統(tǒng)由獨(dú)立的服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)松散耦合組成。在這個(gè)系統(tǒng)中每個(gè)服務(wù)器都是一臺(tái)獨(dú)立的主機(jī)，服務(wù)器之間通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接。分布式系統(tǒng)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
然而，在分布式系統(tǒng)中，其環(huán)境的復(fù)雜度、網(wǎng)絡(luò)的不確定性會(huì)造成諸如時(shí)鐘不一致、“拜占庭將軍問題”（Byzantine failure）等。存在于集中式系統(tǒng)中的機(jī)器宕機(jī)、消息丟失等問題也會(huì)在分布式環(huán)境中變得更加復(fù)雜。基于分布式系統(tǒng)的這些特征，有兩種問題逐漸成為了分布式環(huán)境中需要重點(diǎn)關(guān)注和解決的典型問題：
今天我們就針對(duì)這兩個(gè)問題來進(jìn)行分析。
-? ? ?互斥性問題? ? -
先看兩個(gè)常見的例子：例1：某服務(wù)記錄關(guān)鍵數(shù)據(jù)X，當(dāng)前值為100。A請(qǐng)求需要將X增加200；同時(shí)，B請(qǐng)求需要將X減100。在理想的情況下，A先讀取到X=100，然后X增加200，最后寫入X=300。B請(qǐng)求接著從讀取X=300，減少100，最后寫入X=200。然而在真實(shí)情況下，如果不做任何處理，則可能會(huì)出現(xiàn)：A和B同時(shí)讀取到X=100；A寫入之前B讀取到X；B比A先寫入等情況。例2：某服務(wù)提供一組任務(wù)，A請(qǐng)求隨機(jī)從任務(wù)組中獲取一個(gè)任務(wù)；B請(qǐng)求隨機(jī)從任務(wù)組中獲取一個(gè)任務(wù)。在理想的情況下，A從任務(wù)組中挑選一個(gè)任務(wù)，任務(wù)組刪除該任務(wù)，B從剩下的的任務(wù)中再挑一個(gè)，任務(wù)組刪除該任務(wù)。同樣的，在真實(shí)情況下，如果不做任何處理，可能會(huì)出現(xiàn)A和B挑中了同一個(gè)任務(wù)的情況。以上的兩個(gè)例子，都存在操作互斥性的問題。互斥性問題用通俗的話來講，就是對(duì)共享資源的搶占問題。如果不同的請(qǐng)求對(duì)同一個(gè)或者同一組資源讀取并修改時(shí)，無法保證按序執(zhí)行，無法保證一個(gè)操作的原子性，那么就很有可能會(huì)出現(xiàn)預(yù)期外的情況。因此操作的互斥性問題，也可以理解為一個(gè)需要保證時(shí)序性、原子性的問題。在傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)庫的架構(gòu)中，對(duì)于數(shù)據(jù)的搶占問題往往是通過數(shù)據(jù)庫事務(wù)（ACID）來保證的。在分布式環(huán)境中，出于對(duì)性能以及一致性敏感度的要求，使得分布式鎖成為了一種比較常見而高效的解決方案。事實(shí)上，操作互斥性問題也并非分布式環(huán)境所獨(dú)有，在傳統(tǒng)的多線程、多進(jìn)程情況下已經(jīng)有了很好的解決方案。因此在研究分布式鎖之前，我們先來分析下這兩種情況的解決方案，以期能夠?qū)?a href="/tags/分布式" target="_blank">分布式鎖的解決方案提供一些實(shí)現(xiàn)思路。
-? ? ?多線程解決方案及原理? ? -
《Thinking in Java》書中寫到：
-? ? ?原理? ? -
ReentrantLockReentrantLock主要利用CAS CLH隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)。它支持公平鎖和非公平鎖，兩者的實(shí)現(xiàn)類似。
ReentrantLock的基本實(shí)現(xiàn)可以概括為：先通過CAS嘗試獲取鎖。如果此時(shí)已經(jīng)有線程占據(jù)了鎖，那就加入CLH隊(duì)列并且被掛起。當(dāng)鎖被釋放之后，排在CLH隊(duì)列隊(duì)首的線程會(huì)被喚醒，然后CAS再次嘗試獲取鎖。在這個(gè)時(shí)候，如果：
下面分析下兩個(gè)片段：
在嘗試獲取鎖的時(shí)候，會(huì)先調(diào)用上面的方法。如果狀態(tài)為0，則表明此時(shí)無人占有鎖。此時(shí)嘗試進(jìn)行set，一旦成功，則成功占有鎖。如果狀態(tài)不為0，再判斷是否是當(dāng)前線程獲取到鎖。如果是的話，將狀態(tài) 1，因?yàn)榇藭r(shí)就是當(dāng)前線程，所以不用CAS。這也就是可重入鎖的實(shí)現(xiàn)原理。
為了解決這一系列問題，系統(tǒng)架構(gòu)也在不斷演進(jìn)。傳統(tǒng)的集中式系統(tǒng)已經(jīng)逐漸無法滿足要求，分布式系統(tǒng)被使用在更多的場(chǎng)景中。分布式系統(tǒng)由獨(dú)立的服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)松散耦合組成。在這個(gè)系統(tǒng)中每個(gè)服務(wù)器都是一臺(tái)獨(dú)立的主機(jī)，服務(wù)器之間通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接。分布式系統(tǒng)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
- 可擴(kuò)展性：可通過橫向水平擴(kuò)展提高系統(tǒng)的性能和吞吐量。
- 高可靠性：高容錯(cuò)，即使系統(tǒng)中一臺(tái)或幾臺(tái)故障，系統(tǒng)仍可提供服務(wù)。
- 高并發(fā)性：各機(jī)器并行獨(dú)立處理和計(jì)算。
- 廉價(jià)高效：多臺(tái)小型機(jī)而非單臺(tái)高性能機(jī)。
然而，在分布式系統(tǒng)中，其環(huán)境的復(fù)雜度、網(wǎng)絡(luò)的不確定性會(huì)造成諸如時(shí)鐘不一致、“拜占庭將軍問題”（Byzantine failure）等。存在于集中式系統(tǒng)中的機(jī)器宕機(jī)、消息丟失等問題也會(huì)在分布式環(huán)境中變得更加復(fù)雜。基于分布式系統(tǒng)的這些特征，有兩種問題逐漸成為了分布式環(huán)境中需要重點(diǎn)關(guān)注和解決的典型問題：
- 互斥性問題。
- 冪等性問題。
今天我們就針對(duì)這兩個(gè)問題來進(jìn)行分析。
-? ? ?互斥性問題? ? -
先看兩個(gè)常見的例子：例1：某服務(wù)記錄關(guān)鍵數(shù)據(jù)X，當(dāng)前值為100。A請(qǐng)求需要將X增加200；同時(shí)，B請(qǐng)求需要將X減100。在理想的情況下，A先讀取到X=100，然后X增加200，最后寫入X=300。B請(qǐng)求接著從讀取X=300，減少100，最后寫入X=200。然而在真實(shí)情況下，如果不做任何處理，則可能會(huì)出現(xiàn)：A和B同時(shí)讀取到X=100；A寫入之前B讀取到X；B比A先寫入等情況。例2：某服務(wù)提供一組任務(wù)，A請(qǐng)求隨機(jī)從任務(wù)組中獲取一個(gè)任務(wù)；B請(qǐng)求隨機(jī)從任務(wù)組中獲取一個(gè)任務(wù)。在理想的情況下，A從任務(wù)組中挑選一個(gè)任務(wù)，任務(wù)組刪除該任務(wù)，B從剩下的的任務(wù)中再挑一個(gè)，任務(wù)組刪除該任務(wù)。同樣的，在真實(shí)情況下，如果不做任何處理，可能會(huì)出現(xiàn)A和B挑中了同一個(gè)任務(wù)的情況。以上的兩個(gè)例子，都存在操作互斥性的問題。互斥性問題用通俗的話來講，就是對(duì)共享資源的搶占問題。如果不同的請(qǐng)求對(duì)同一個(gè)或者同一組資源讀取并修改時(shí)，無法保證按序執(zhí)行，無法保證一個(gè)操作的原子性，那么就很有可能會(huì)出現(xiàn)預(yù)期外的情況。因此操作的互斥性問題，也可以理解為一個(gè)需要保證時(shí)序性、原子性的問題。在傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)庫的架構(gòu)中，對(duì)于數(shù)據(jù)的搶占問題往往是通過數(shù)據(jù)庫事務(wù)（ACID）來保證的。在分布式環(huán)境中，出于對(duì)性能以及一致性敏感度的要求，使得分布式鎖成為了一種比較常見而高效的解決方案。事實(shí)上，操作互斥性問題也并非分布式環(huán)境所獨(dú)有，在傳統(tǒng)的多線程、多進(jìn)程情況下已經(jīng)有了很好的解決方案。因此在研究分布式鎖之前，我們先來分析下這兩種情況的解決方案，以期能夠?qū)?a href="/tags/分布式" target="_blank">分布式鎖的解決方案提供一些實(shí)現(xiàn)思路。
-? ? ?多線程解決方案及原理? ? -
《Thinking in Java》書中寫到：
基本上所有的并發(fā)模式在解決線程沖突問題的時(shí)候，都是采用序列化訪問共享資源的方案。在多線程環(huán)境中，線程之間因?yàn)楣靡恍┐鎯?chǔ)空間，沖突問題時(shí)有發(fā)生。解決沖突問題最普遍的方式就是用互斥鎖把該資源或?qū)υ撡Y源的操作保護(hù)起來。Java JDK中提供了兩種互斥鎖Lock和synchronized。不同的線程之間對(duì)同一資源進(jìn)行搶占，該資源通常表現(xiàn)為某個(gè)類的普通成員變量。因此，利用ReentrantLock或者synchronized將共享的變量及其操作鎖住，即可基本解決資源搶占的問題。下面來簡單聊一聊兩者的實(shí)現(xiàn)原理。
-? ? ?原理? ? -
ReentrantLockReentrantLock主要利用CAS CLH隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)。它支持公平鎖和非公平鎖，兩者的實(shí)現(xiàn)類似。
- CAS：Compare and Swap，比較并交換。CAS有3個(gè)操作數(shù)：內(nèi)存值V、預(yù)期值A(chǔ)、要修改的新值B。當(dāng)且僅當(dāng)預(yù)期值A(chǔ)和內(nèi)存值V相同時(shí)，將內(nèi)存值V修改為B，否則什么都不做。該操作是一個(gè)原子操作，被廣泛的應(yīng)用在Java的底層實(shí)現(xiàn)中。在Java中，CAS主要是由sun.misc.Unsafe這個(gè)類通過JNI調(diào)用CPU底層指令實(shí)現(xiàn)。
- CLH隊(duì)列：帶頭結(jié)點(diǎn)的雙向非循環(huán)鏈表(如下圖所示)：
ReentrantLock的基本實(shí)現(xiàn)可以概括為：先通過CAS嘗試獲取鎖。如果此時(shí)已經(jīng)有線程占據(jù)了鎖，那就加入CLH隊(duì)列并且被掛起。當(dāng)鎖被釋放之后，排在CLH隊(duì)列隊(duì)首的線程會(huì)被喚醒，然后CAS再次嘗試獲取鎖。在這個(gè)時(shí)候，如果：- 非公平鎖：如果同時(shí)還有另一個(gè)線程進(jìn)來嘗試獲取，那么有可能會(huì)讓這個(gè)線程搶先獲?。?/span>
- 公平鎖：如果同時(shí)還有另一個(gè)線程進(jìn)來嘗試獲取，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)自己不是在隊(duì)首的話，就會(huì)排到隊(duì)尾，由隊(duì)首的線程獲取到鎖。
下面分析下兩個(gè)片段：
final?boolean?nonfairTryAcquire(int?acquires)?{
? ?final?Thread current = Thread.currentThread();
? ?int?c = getState();
? ?if?(c ==?0) {
? ? ? ?if?(compareAndSetState(0, acquires)) {
? ? ? ? ? ?setExclusiveOwnerThread(current);
? ? ? ? ? ?return?true;
? ? ? ?}
? ?}
? ?else?if?(current == getExclusiveOwnerThread()) {
? ? ? ?int?nextc = c acquires;
? ? ? ?if?(nextc 0)?// overflow
? ? ? ? ? ?throw?new?Error("Maximum lock count exceeded");
? ? ? ?setState(nextc);
? ? ? ?return?true;
? ?}
? ?return?false;
}在嘗試獲取鎖的時(shí)候，會(huì)先調(diào)用上面的方法。如果狀態(tài)為0，則表明此時(shí)無人占有鎖。此時(shí)嘗試進(jìn)行set，一旦成功，則成功占有鎖。如果狀態(tài)不為0，再判斷是否是當(dāng)前線程獲取到鎖。如果是的話，將狀態(tài) 1，因?yàn)榇藭r(shí)就是當(dāng)前線程，所以不用CAS。這也就是可重入鎖的實(shí)現(xiàn)原理。
final?boolean?acquireQueued(final?Node node,?int?arg)?{
? ?boolean?failed =?true;
? ?try?{
? ? ? ?boolean?interrupted =?false;
? ? ? ?for?(;;) {
? ? ? ? ? ?final?Node p = node.predecessor();
? ? ? ? ? ?if?(p == head 
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