最近在工作中遇到一个复杂的业务，必须进行加锁，使逻辑串行化，但是在负载均衡下java传统的锁是没有意义的，必须使用分布式锁。分布式锁的方案在网络上有许多，这里更想探讨这些方案背后的原理。

如何避免竞争条件

两个或多个进程读写某些共享数据，而最后的结果取决于进程运行的精确时序，称为竞争条件。——《现代操作系统》

而锁正是避免竞争条件的解决方案之一。 再列出《现代操作系统》一书中，所成为一个解决竞争条件的好方案的条件：

1. 任何两个进程不能同时处于其临界区
2. 不应对CPU的速度和数量做任何假设
3. 临界区外运行的进程不得阻塞其他进程
4. 不得使进程无限期等待进入临界区

互斥量

互斥量是一个可以处于两态之一的变量：解锁和加锁。如，用0表示解锁，其他值表示加锁。当一个线程或是进程需要访问临界区时，如果互斥量当前是解锁状态，即线程可以自由进入临界区，并更改互斥量的值，当然这个过程需要是原子性的。 如果互斥量已经加锁，调用线程被阻塞，直到获得锁的线程将互斥量重置。 而我们平时使用的java的ReentrantLock也是基于互斥量的原理，使用CAS更新互斥量，更新成功即获得锁，否则进入阻塞。 根据互斥量的定义和ReentrantLock的实现原理，这里总结一下互斥量的性质：

1. 互斥量状态判断到变更的过程必须是原子性的
2. 当无法获取互斥量时，阻塞线程
3. 鲁棒性

第3点是我加上去的，必须保证拥有鲁棒性，即不会无端发生锁丢失，锁状态的变更等异常情况。这里对应的是为了避免违反上述提到的设计避免竞争条件方案的第4个条件不得使进程无限期等待进入临界区。若然不具备鲁棒性，这种情况必定会发生。

使用redis设计分布式锁

根据上面提到的互斥量概念，我们依此来利用redis设计出。

互斥量状态判断到变更的过程必须是原子性的

这点可以利用redis的一些原子性命令来实现，例如不存在即插入的SETNX命令。 而第二点

当无法获取互斥量时，阻塞线程

如果所实现的仅仅是同一时间只允许一个线程（进程）进入临界区，那么在SETNX命令失败马上返回，即实现tryLock功能。 如果要实现阻塞功能的话，比较困难，因为在多进程情况下，必须跨进程唤醒被阻塞的线程，所以这里利用自旋的方式去多次尝试获取锁，直到超时，为了防止过多的空转浪费CPU资源，可以在自旋过程中加入sleep操作。 最后一点

鲁棒性

这个其实是最难实现的，原子性的操作，大多组件都会有提供，但是要提供一个组件的鲁棒性，必须要考虑到所有情况，并且给出具体的解决方案。关于使用redis实现分布式锁这点，可以参考http://www.cnblogs.com/0201zcr/p/5942748.html。

对于分布式锁来说，一般可以跨线程调用锁，即在线程A加锁，在线程B解锁，因为分布式锁覆盖的范围更大，锁的可是进程级。这里要注意是否应该加以限制，因为临界区外运行的进程不得阻塞其他进程，虽然提到的是进程，但在线程级是否应该支持，需要进行考虑。 线程A加锁，而不进入临界区，而创建线程B，由线程B去执行逻辑并且释放锁，这样临界区外的线程A将会阻塞后续到来的线程C、D。当然这样并不会违反临界区外运行的进程不得阻塞其他进程，但是要不要缩小这个范围，限制到线程，就交由实现者去判断。 最后贴出我所写的用Redis实现分布式锁的代码

/*** Created by BingZhong on 2017/7/29.** 基于Redis实现的分布式锁*/
public final class RedisLockHelper {private static Logger logger = LoggerFactory.getLogger(RedisLockHelper.class);/*** redis操作帮助类,可以是其他封装了redis操作的类*/private RedisHelper redisHelper;public static final long DEFAULT_TIMEOUT = 30 * 1000;public static final long DEFAULT_SLEEP_TIME = 100;private RedisLockHelper(RedisHelper redisHelper) {this.redisHelper = redisHelper;}public static RedisLockHelper getInstance(RedisHelper redisHelper) {return new RedisLockHelper(redisHelper);}/*** 创建锁** @param mutex     互斥量* @param timeout   锁的超时时间* @param sleepTime 线程自旋尝试获取锁时的休眠时间* @param timeUnit  时间单位*/public RedisLock newLock(String mutex, long timeout, long sleepTime, TimeUnit timeUnit) {logger.info("创建分布式锁,互斥量为{}", mutex);return new RedisLock(mutex, timeout, sleepTime, timeUnit);}public RedisLock newLock(String mutex, long timeout, TimeUnit timeUnit) {return newLock(mutex, timeout, DEFAULT_SLEEP_TIME, timeUnit);}public RedisLock newLock(String mutex) {return newLock(mutex, DEFAULT_TIMEOUT, TimeUnit.MILLISECONDS);}public class RedisLock {/*** 用于创建redis健值对的键，相当于互斥量*/private final String mutex;/*** 锁过期的绝对时间*/private volatile long lockExpiresTime = 0;/*** 锁的超时时间*/private final long timeout;/*** 每次循环获取锁的休眠时间*/private final long sleepTime;/*** 锁的线程持有者*/private volatile Thread lockHolder = null;private final ReentrantLock threadLock = new ReentrantLock();public RedisLock(String mutex, long timeout, long sleepTime, TimeUnit timeUnit) {this.mutex = mutex;this.timeout = timeUnit.toMillis(timeout);this.sleepTime = timeUnit.toMillis(sleepTime);}/*** 加锁,将会一直尝试获取锁,直到超时*/public boolean lock(long acquireTimeout, TimeUnit timeUnit) throws InterruptedException {acquireTimeout = timeUnit.toMillis(acquireTimeout);long acquireTime = acquireTimeout + System.currentTimeMillis();threadLock.tryLock(acquireTimeout, timeUnit);try {while (true) {boolean hasLock = tryLock();if (hasLock) {//获取锁成功return true;} else if (acquireTime < System.currentTimeMillis()) {break;}Thread.sleep(sleepTime);}} finally {if (threadLock.isHeldByCurrentThread()) {threadLock.unlock();}}return false;}/*** 尝试获取锁,无论是否获取到锁都将直接返回而不会阻塞* 不支持重入锁*/public boolean tryLock() {if (lockHolder == Thread.currentThread()) {throw new IllegalMonitorStateException("不支持重入锁");}long currentTime = System.currentTimeMillis();String expires = String.valueOf(timeout + currentTime);//尝试设置互斥量if (redisHelper.setNx(mutex, expires) > 0) {setLockStatus(expires);return true;} else {String currentLockTime = redisHelper.get(mutex);//检查锁是否超时if (Objects.nonNull(currentLockTime) && Long.parseLong(currentLockTime) < currentTime) {//获取旧的锁时间并设置互斥量String oldLockTime = redisHelper.getSet(mutex, expires);//判断获取到的旧值是否一致,不一致证明已经有另外的进程(线程)成功获取到了锁if (Objects.nonNull(oldLockTime) && Objects.equals(oldLockTime, currentLockTime)) {setLockStatus(expires);return true;}}return false;}}/*** 该锁是否被锁住*/public boolean isLock() {String currentLockTime = redisHelper.get(mutex);//存在互斥量且锁还为过时即锁住return Objects.nonNull(currentLockTime) && Long.parseLong(currentLockTime) > System.currentTimeMillis();}public String getMutex() {return mutex;}/*** 解锁*/public boolean unlock() {//只有锁的持有线程才能解锁if (lockHolder == Thread.currentThread()) {//判断锁是否超时，没有超时才将互斥量删除if (lockExpiresTime > System.currentTimeMillis()) {redisHelper.del(mutex);logger.info("删除互斥量[{}]", mutex);}lockHolder = null;logger.info("释放[{}]锁成功", mutex);return true;} else {throw new IllegalMonitorStateException("没有获取到锁的线程无法执行解锁操作");}}private void setLockStatus(String expires) {lockExpiresTime = Long.parseLong(expires);lockHolder = Thread.currentThread();logger.info("获取[{}]锁成功", mutex);}}
}

总结

很多功能组件，其实都是基于一些概念来进行设计，对于避免竞争条件的方案，还有信号量，管程等，了解这些概念，才能在需要时设计出满足自己需求的组件。