分布式環(huán)境下，互斥性與冪等性問題，分析與解決思路
[導讀]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)務邏輯也日趨復雜，對系統(tǒng)的高并發(fā)訪問、海量數(shù)據(jù)處理的場景也越來越多。如何用較低成本實現(xiàn)系統(tǒng)的高可用、易伸縮、可擴展等目標就顯得越發(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。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)務邏輯也日趨復雜，對系統(tǒng)的高并發(fā)訪問、海量數(shù)據(jù)處理的場景也越來越多。如何用較低成本實現(xiàn)系統(tǒng)的高可用、易伸縮、可擴展等目標就顯得越發(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。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)被使用在更多的場景中。分布式系統(tǒng)由獨立的服務器通過網(wǎng)絡松散耦合組成。在這個系統(tǒng)中每個服務器都是一臺獨立的主機，服務器之間通過內(nèi)部網(wǎng)絡連接。分布式系統(tǒng)有以下幾個特點：
然而，在分布式系統(tǒng)中，其環(huán)境的復雜度、網(wǎng)絡的不確定性會造成諸如時鐘不一致、“拜占庭將軍問題”（Byzantine failure）等。存在于集中式系統(tǒng)中的機器宕機、消息丟失等問題也會在分布式環(huán)境中變得更加復雜。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)境中需要重點關(guān)注和解決的典型問題：
今天我們就針對這兩個問題來進行分析。
-? ? ?互斥性問題? ? -
先看兩個常見的例子：例1：某服務記錄關(guān)鍵數(shù)據(jù)X，當前值為100。A請求需要將X增加200；同時，B請求需要將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請求接著從讀取X=300，減少100，最后寫入X=200。然而在真實情況下，如果不做任何處理，則可能會出現(xiàn)：A和B同時讀取到X=100；A寫入之前B讀取到X；B比A先寫入等情況。例2：某服務提供一組任務，A請求隨機從任務組中獲取一個任務；B請求隨機從任務組中獲取一個任務。在理想的情況下，A從任務組中挑選一個任務，任務組刪除該任務，B從剩下的的任務中再挑一個，任務組刪除該任務。同樣的，在真實情況下，如果不做任何處理，可能會出現(xiàn)A和B挑中了同一個任務的情況。以上的兩個例子，都存在操作互斥性的問題?；コ庑詥栴}用通俗的話來講，就是對共享資源的搶占問題。如果不同的請求對同一個或者同一組資源讀取并修改時，無法保證按序執(zhí)行，無法保證一個操作的原子性，那么就很有可能會出現(xiàn)預期外的情況。因此操作的互斥性問題，也可以理解為一個需要保證時序性、原子性的問題。在傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)庫的架構(gòu)中，對于數(shù)據(jù)的搶占問題往往是通過數(shù)據(jù)庫事務（ACID）來保證的。在分布式環(huán)境中，出于對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。事實上，操作互斥性問題也并非分布式環(huán)境所獨有，在傳統(tǒng)的多線程、多進程情況下已經(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隊列來實現(xiàn)。它支持公平鎖和非公平鎖，兩者的實現(xiàn)類似。
ReentrantLock的基本實現(xiàn)可以概括為：先通過CAS嘗試獲取鎖。如果此時已經(jīng)有線程占據(jù)了鎖，那就加入CLH隊列并且被掛起。當鎖被釋放之后，排在CLH隊列隊首的線程會被喚醒，然后CAS再次嘗試獲取鎖。在這個時候，如果：
下面分析下兩個片段：
在嘗試獲取鎖的時候，會先調(diào)用上面的方法。如果狀態(tài)為0，則表明此時無人占有鎖。此時嘗試進行set，一旦成功，則成功占有鎖。如果狀態(tài)不為0，再判斷是否是當前線程獲取到鎖。如果是的話，將狀態(tài) 1，因為此時就是當前線程，所以不用CAS。這也就是可重入鎖的實現(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。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)被使用在更多的場景中。分布式系統(tǒng)由獨立的服務器通過網(wǎng)絡松散耦合組成。在這個系統(tǒng)中每個服務器都是一臺獨立的主機，服務器之間通過內(nèi)部網(wǎng)絡連接。分布式系統(tǒng)有以下幾個特點：
- 可擴展性：可通過橫向水平擴展提高系統(tǒng)的性能和吞吐量。
- 高可靠性：高容錯，即使系統(tǒng)中一臺或幾臺故障，系統(tǒng)仍可提供服務。
- 高并發(fā)性：各機器并行獨立處理和計算。
- 廉價高效：多臺小型機而非單臺高性能機。
然而，在分布式系統(tǒng)中，其環(huán)境的復雜度、網(wǎng)絡的不確定性會造成諸如時鐘不一致、“拜占庭將軍問題”（Byzantine failure）等。存在于集中式系統(tǒng)中的機器宕機、消息丟失等問題也會在分布式環(huán)境中變得更加復雜。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。
今天我們就針對這兩個問題來進行分析。
-? ? ?互斥性問題? ? -
先看兩個常見的例子：例1：某服務記錄關(guān)鍵數(shù)據(jù)X，當前值為100。A請求需要將X增加200；同時，B請求需要將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請求接著從讀取X=300，減少100，最后寫入X=200。然而在真實情況下，如果不做任何處理，則可能會出現(xiàn)：A和B同時讀取到X=100；A寫入之前B讀取到X；B比A先寫入等情況。例2：某服務提供一組任務，A請求隨機從任務組中獲取一個任務；B請求隨機從任務組中獲取一個任務。在理想的情況下，A從任務組中挑選一個任務，任務組刪除該任務，B從剩下的的任務中再挑一個，任務組刪除該任務。同樣的，在真實情況下，如果不做任何處理，可能會出現(xiàn)A和B挑中了同一個任務的情況。以上的兩個例子，都存在操作互斥性的問題?；コ庑詥栴}用通俗的話來講，就是對共享資源的搶占問題。如果不同的請求對同一個或者同一組資源讀取并修改時，無法保證按序執(zhí)行，無法保證一個操作的原子性，那么就很有可能會出現(xiàn)預期外的情況。因此操作的互斥性問題，也可以理解為一個需要保證時序性、原子性的問題。在傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)庫的架構(gòu)中，對于數(shù)據(jù)的搶占問題往往是通過數(shù)據(jù)庫事務（ACID）來保證的。在分布式環(huán)境中，出于對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。事實上，操作互斥性問題也并非分布式環(huán)境所獨有，在傳統(tǒng)的多線程、多進程情況下已經(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，線程之間因為公用一些存儲空間，沖突問題時有發(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源的操作保護起來。Java JDK中提供了兩種互斥鎖Lock和synchronized。不同的線程之間對同一資源進行搶占，該資源通常表現(xiàn)為某個類的普通成員變量。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現(xiàn)原理。
-? ? ?原理? ? -
ReentrantLockReentrantLock主要利用CAS CLH隊列來實現(xiàn)。它支持公平鎖和非公平鎖，兩者的實現(xiàn)類似。
- CAS：Compare and Swap，比較并交換。CAS有3個操作數(shù)：內(nèi)存值V、預期值A、要修改的新值B。當且僅當預期值A和內(nèi)存值V相同時，將內(nèi)存值V修改為B，否則什么都不做。該操作是一個原子操作，被廣泛的應用在Java的底層實現(xiàn)中。在Java中，CAS主要是由sun.misc.Unsafe這個類通過JNI調(diào)用CPU底層指令實現(xiàn)。
- CLH隊列：帶頭結(jié)點的雙向非循環(huán)鏈表(如下圖所示)：
ReentrantLock的基本實現(xiàn)可以概括為：先通過CAS嘗試獲取鎖。如果此時已經(jīng)有線程占據(jù)了鎖，那就加入CLH隊列并且被掛起。當鎖被釋放之后，排在CLH隊列隊首的線程會被喚醒，然后CAS再次嘗試獲取鎖。在這個時候，如果：- 非公平鎖：如果同時還有另一個線程進來嘗試獲取，那么有可能會讓這個線程搶先獲取；
- 公平鎖：如果同時還有另一個線程進來嘗試獲取，當它發(fā)現(xiàn)自己不是在隊首的話，就會排到隊尾，由隊首的線程獲取到鎖。
下面分析下兩個片段：
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;
}在嘗試獲取鎖的時候，會先調(diào)用上面的方法。如果狀態(tài)為0，則表明此時無人占有鎖。此時嘗試進行set，一旦成功，則成功占有鎖。如果狀態(tài)不為0，再判斷是否是當前線程獲取到鎖。如果是的話，將狀態(tài) 1，因為此時就是當前線程，所以不用CAS。這也就是可重入鎖的實現(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 
下載文檔本站聲明： 本文章由作者或相關(guān)機構(gòu)授權(quán)發(fā)布，目的在于傳遞更多信息，并不代表本站贊同其觀點，本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者，如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益，請及時聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀
今天，小編將在這篇文章中為大家?guī)泶髷?shù)據(jù)的有關(guān)報道，通過閱讀這篇文章，大家可以對大數(shù)據(jù)具備清晰的認識，主要內(nèi)容如下。
關(guān)鍵字： 大數(shù)據(jù) 分布式 Kafka大數(shù)據(jù)將是下述內(nèi)容的主要介紹對象，通過這篇文章，小編希望大家可以對它的相關(guān)情況以及信息有所認識和了解，詳細內(nèi)容如下。
關(guān)鍵字： 大數(shù)據(jù) 物聯(lián)網(wǎng) 分布式西安2022年9月9日 /美通社/ -- 9月7日，由工業(yè)和信息化部節(jié)能與綜合利用司、國家能源局能源節(jié)約和科技裝備司與浙江省能源局聯(lián)合指導，中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會聯(lián)合232余家機構(gòu)共同支持的第十二屆中國國際儲能大會在...
關(guān)鍵字： 電力系統(tǒng) 分布式 變流器 新能源汽車在這篇文章中，小編將為大家?guī)泶髷?shù)據(jù)的相關(guān)報道。如果你對本文即將要講解的內(nèi)容存在一定興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。
關(guān)鍵字： 大數(shù)據(jù) 云計算 分布式
熱門文章
- 王騰被小米突然辭退 網(wǎng)友擠爆雷軍評論區(qū)：后者淡定健身
- 曝5家中國車企在澳或面臨4700萬重罰！
- 美國給芯片裝后門方法揭秘后！NVIDIA緊急暫停生產(chǎn)H20芯片
- 我國鋰電池大突破：能量密度和續(xù)航能力提高2-3倍 可量產(chǎn)
- 英偉達同意H20芯片在中國銷售額15%上交美國：我國回應
- OpenAI王炸來了！GPT-5有望明天發(fā)布 免費無限使用
- 周鴻祎談英偉達芯片是否“留后門”：技術(shù)上很難判斷
- 稚暉君機器人公司否認借殼上市 回應：只是收購了一家上市公司
- 新一代國產(chǎn)C86處理器9月見 兼容數(shù)百萬款x86軟件
- 尊湃芯片竊密案宣判：創(chuàng)始人獲刑6年，華為勝訴！
編輯精選
技術(shù)子站
更多
資料下載
更多
技術(shù)學院
- TrendForce集邦咨詢：受QLC產(chǎn)品熱度的外溢效應驅(qū)動，預計NAND Flash 4Q25價格將上漲5-10%
- TrendForce集邦咨詢: 十一長假將至，LCD電視面板大廠計劃調(diào)降稼動率穩(wěn)運維
- TrendForce集邦咨詢：4Q25 DRAM價格延續(xù)漲勢，服務器需求提前發(fā)酵、舊制程產(chǎn)品漲幅仍較大
- 一文搞懂如何最大限度降低?uk穩(wěn)壓器的輻射
- PCB板層設計與電磁兼容性的關(guān)系解析
- 干貨分享！AC/DC與DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作原理與應用
- PCB板的類型匯總
- 盤點MCU 也需要AI的原因詳解
