Java分布式锁技术深度解析
在 Java 分布式系统中，分布式锁是解决跨进程、跨服务器共享资源并发竞争的核心方案（例如秒杀库存扣减、分布式任务调度、避免重复提交等场景）。与单机锁（synchronized、ReentrantLock）不同，分布式锁需要协调多个节点的状态，确保同一时刻只有一个节点能获取锁。
一、分布式锁的核心要求
一个可靠的分布式锁必须满足以下特性：
- 互斥性：同一时刻只有一个客户端能持有锁；
- 安全性：锁只能被持有它的客户端释放，防止误释放他人的锁；
- 可用性：分布式环境下，锁服务不能单点故障（需高可用）；
- 原子性：锁的获取 / 释放操作必须是原子的，避免网络延迟导致的状态不一致；
- 可重入性（可选）：同一客户端可重复获取同一把锁（避免死锁）；
- 超时释放（可选）：防止客户端崩溃后锁一直占用（避免死锁）。
二、Java 中分布式锁的实现方案
常用的实现方案有 4 种，各有优劣，需根据场景选择：
方案 1：基于 Redis 的分布式锁（最常用）
Redis 因高性能、高可用（主从 + 哨兵 / 集群），是分布式锁的首选方案。核心利用 Redis 的 原子命令（SETNX、EX、Lua 脚本）保证锁的原子性。
1. 核心原理
- 获取锁：用
SET key value NX EX timeout命令（原子操作）：NX：仅当 key 不存在时才设置（保证互斥）；EX timeout：自动过期（避免死锁）；value：用 UUID + 线程 ID 标识客户端（保证安全性，仅能释放自己的锁）。
- 释放锁：用 Lua 脚本原子性校验 value 并删除 key（避免误删他人锁）。
- 可重入性：需额外存储锁的持有次数（例如 Redis Hash 结构）。
- 高可用：Redis 集群（主从 + 哨兵），避免单点故障。
2. 手动实现（简化版）
import org.springframework.data.redis.core.StringRedisTemplate;
import org.springframework.data.redis.core.script.DefaultRedisScript;
import java.util.Collections;
import java.util.UUID;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class RedisDistributedLock {
private final StringRedisTemplate redisTemplate;
private final String lockKey; // 锁的唯一标识（例如 "stock_lock_1001"）
private final long expireTime; // 锁超时时间（秒）
private String lockValue; // 当前客户端的锁值（UUID+线程ID）
// 释放锁的Lua脚本（原子校验+删除）
private static final String UNLOCK_SCRIPT = """
if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then
return redis.call('del', KEYS[1])
else
return 0
end
""";
public RedisDistributedLock(StringRedisTemplate redisTemplate, String lockKey, long expireTime) {
this.redisTemplate = redisTemplate;
this.lockKey = lockKey;
this.expireTime = expireTime;
this.lockValue = UUID.randomUUID().toString() + "-" + Thread.currentThread().getId();
}
// 获取锁
public boolean tryLock() {
// SET key value NX EX expireTime：原子操作
Boolean success = redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(
lockKey, lockValue, expireTime, TimeUnit.SECONDS
);
return Boolean.TRUE.equals(success);
}
// 释放锁
public boolean unlock() {
DefaultRedisScript<Long> script = new DefaultRedisScript<>(UNLOCK_SCRIPT, Long.class);
Long result = redisTemplate.execute(
script,
Collections.singletonList(lockKey), // KEYS[1]
lockValue // ARGV[1]
);
return result != null && result > 0;
}
}
3. 成熟框架：Redisson（推荐）
手动实现需处理可重入、锁续期、集群高可用等细节，推荐使用 Redisson（Redis 官方推荐的 Java 客户端），它封装了完整的分布式锁实现：
- 支持可重入锁（
RLock）、公平锁、联锁、红锁等； - 自动实现锁续期（避免锁超时释放）；
- 适配 Redis 单机、主从、哨兵、集群等部署模式。
Redisson 示例代码：
import org.redisson.Redisson;
import org.redisson.api.RLock;
import org.redisson.api.RedissonClient;
import org.redisson.config.Config;
public class RedissonLockDemo {
public static void main(String[] args) {
// 1. 配置 Redisson 客户端
Config config = new Config();
config.useSingleServer().setAddress("redis://127.0.0.1:6379");
RedissonClient redissonClient = Redisson.create(config);
// 2. 获取分布式锁（锁的唯一标识）
RLock lock = redissonClient.getLock("stock_lock_1001");
try {
// 3. 尝试获取锁：等待10秒，10秒内未获取则失败；锁自动过期30秒
boolean locked = lock.tryLock(10, 30, TimeUnit.SECONDS);
if (locked) {
// 4. 执行业务逻辑（例如扣减库存）
System.out.println("获取锁成功，执行核心业务...");
} else {
System.out.println("获取锁失败，当前锁被占用");
}
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
} finally {
// 5. 释放锁（仅持有锁的客户端能释放）
if (lock.isHeldByCurrentThread()) {
lock.unlock();
}
}
// 6. 关闭客户端
redissonClient.shutdown();
}
}
4. 优缺点
- 优点：高性能（Redis 单机 QPS 万级）、部署简单、支持多种锁类型；
- 缺点：Redis 集群下可能出现 “主从切换丢失锁”（主节点锁未同步到从节点就宕机），需用红锁（RedLock）缓解（但红锁性能略低）。
方案 2：基于 ZooKeeper 的分布式锁
ZooKeeper 是分布式协调工具，基于 临时有序节点 实现分布式锁，天然支持高可用和公平锁。
1. 核心原理
- 客户端在 ZooKeeper 的
/lock节点下创建 临时有序子节点（例如/lock/lock-xxx-00000001）； - 客户端获取
/lock下所有子节点，判断自己的节点是否是最小的：- 是：获取锁成功；
- 否：监听前一个节点（Watcher 机制），前一个节点删除时触发通知，再次判断是否为最小节点；
- 释放锁：客户端断开连接时，临时节点自动删除（天然支持超时释放），或主动删除节点。
2. 成熟框架：Curator
ZooKeeper 原生 API 复杂，推荐使用 Curator 框架（Apache 官方维护），它封装了分布式锁实现：
import org.apache.curator.framework.CuratorFramework;
import org.apache.curator.framework.CuratorFrameworkFactory;
import org.apache.curator.framework.recipes.locks.InterProcessMutex;
import org.apache.curator.retry.ExponentialBackoffRetry;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class ZkDistributedLockDemo {
public static void main(String[] args) {
// 1. 配置 Curator 客户端（连接 ZooKeeper 集群）
CuratorFramework client = CuratorFrameworkFactory.builder()
.connectString("127.0.0.1:2181") // ZooKeeper 地址（集群用逗号分隔）
.retryPolicy(new ExponentialBackoffRetry(1000, 3)) // 重试策略
.build();
client.start();
// 2. 创建分布式锁（锁的路径）
InterProcessMutex lock = new InterProcessMutex(client, "/distributed/lock/stock_1001");
try {
// 3. 尝试获取锁：等待5秒，超时未获取则失败
boolean locked = lock.acquire(5, TimeUnit.SECONDS);
if (locked) {
// 4. 执行业务逻辑
System.out.println("获取锁成功，执行核心业务...");
} else {
System.out.println("获取锁失败");
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 5. 释放锁
if (lock.isAcquiredInThisProcess()) {
try {
lock.release();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 6. 关闭客户端
client.close();
}
}
}
3. 优缺点
- 优点：天然高可用（ZooKeeper 集群）、支持公平锁、无锁丢失问题（临时节点依赖会话）；
- 缺点：性能低于 Redis（ZooKeeper 写操作需集群同步，QPS 千级）、部署复杂。
方案 3：基于数据库的分布式锁
利用数据库的 唯一索引 或 悲观锁 / 乐观锁 实现，适合对性能要求不高、已有数据库的场景。
1. 实现方式 1：唯一索引（互斥锁）
- 建表：创建锁表，
lock_key设为唯一索引； - 获取锁：插入一条
lock_key = 目标锁标识的记录（唯一索引保证仅一条成功）； - 释放锁：删除该记录；
- 超时释放：给表加
expire_time字段，定时任务删除过期记录。
表结构示例：
CREATE TABLE distributed_lock (
id BIGINT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
lock_key VARCHAR(64) NOT NULL COMMENT '锁的唯一标识',
lock_value VARCHAR(128) NOT NULL COMMENT '客户端标识（UUID+线程ID）',
expire_time DATETIME NOT NULL COMMENT '过期时间',
UNIQUE KEY uk_lock_key (lock_key)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4;
Java 代码示例（简化）：
import org.springframework.jdbc.core.JdbcTemplate;
import java.util.UUID;
import java.util.Date;
public class DbDistributedLock {
private final JdbcTemplate jdbcTemplate;
private final String lockKey;
private final String lockValue;
private final long expireSeconds; // 过期时间（秒）
public DbDistributedLock(JdbcTemplate jdbcTemplate, String lockKey, long expireSeconds) {
this.jdbcTemplate = jdbcTemplate;
this.lockKey = lockKey;
this.lockValue = UUID.randomUUID().toString() + "-" + Thread.currentThread().getId();
this.expireSeconds = expireSeconds;
}
// 获取锁
public boolean tryLock() {
Date expireTime = new Date(System.currentTimeMillis() + expireSeconds * 1000);
try {
String sql = "INSERT INTO distributed_lock (lock_key, lock_value, expire_time) VALUES (?, ?, ?)";
jdbcTemplate.update(sql, lockKey, lockValue, expireTime);
return true; // 插入成功=获取锁
} catch (Exception e) {
return false; // 唯一索引冲突=锁被占用
}
}
// 释放锁
public boolean unlock() {
String sql = "DELETE FROM distributed_lock WHERE lock_key = ? AND lock_value = ?";
int rows = jdbcTemplate.update(sql, lockKey, lockValue);
return rows > 0;
}
}
2. 实现方式 2：悲观锁（SELECT FOR UPDATE）
- 利用数据库的行级锁，通过
SELECT ... FOR UPDATE锁定目标记录，其他事务需等待锁释放。 - 缺点：性能差，容易导致死锁，不推荐高并发场景。
3. 优缺点
- 优点：实现简单、无需额外中间件；
- 缺点：性能低（数据库 IO 瓶颈）、容易产生死锁、不支持高并发。
方案 4：基于 Etcd 的分布式锁
Etcd 是云原生场景下的分布式键值存储（类似 ZooKeeper），基于 Raft 协议 保证一致性，支持原子操作和租约机制。
核心原理
- 获取锁：用
PUT /lock/key value --lease=leaseId原子操作（租约保证超时释放），同时监听前序节点； - 释放锁：删除键或租约过期；
- 高可用：Raft 协议保证集群数据一致性。
Java 客户端：jetcd
import io.etcd.jetcd.*;
import io.etcd.jetcd.lock.LockResponse;
import io.etcd.jetcd.lock.UnlockResponse;
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class EtcdDistributedLockDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 1. 创建 Etcd 客户端
Client client = Client.builder().endpoints("http://127.0.0.1:2379").build();
Lock lockClient = client.getLockClient();
// 2. 锁的标识和租约（租约10秒，超时自动释放）
ByteSequence lockKey = ByteSequence.from("stock_lock_1001", StandardCharsets.UTF_8);
long leaseId = client.getLeaseClient().grant(10).get().getID();
try {
// 3. 获取锁（异步转同步）
CompletableFuture<LockResponse> lockFuture = lockClient.lock(lockKey, leaseId);
LockResponse lockResponse = lockFuture.get(5, TimeUnit.SECONDS); // 等待5秒
// 4. 执行业务逻辑
System.out.println("获取锁成功，锁标识：" + lockResponse.getKey());
} catch (Exception e) {
System.out.println("获取锁失败：" + e.getMessage());
} finally {
// 5. 释放锁
CompletableFuture<UnlockResponse> unlockFuture = lockClient.unlock(lockKey);
unlockFuture.get();
// 6. 关闭客户端
client.close();
}
}
}
优缺点
- 优点：强一致性（Raft 协议）、云原生场景适配好、支持租约机制；
- 缺点：部署复杂、Java 生态不如 Redis/ZooKeeper 成熟。
三、方案对比与选型建议
| 方案 | 性能 | 高可用 | 实现复杂度 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| Redis（Redisson） | 高（万级 QPS） | 支持（集群） | 低（框架封装） | 大多数分布式场景（秒杀、库存） |
| ZooKeeper（Curator） | 中（千级 QPS） | 支持（集群） | 中（框架封装） | 对公平锁、一致性要求高的场景 |
| 数据库 | 低（百级 QPS） | 支持（主从） | 低（简单 SQL） | 低并发、已有数据库的场景 |
| Etcd | 中（千级 QPS） | 支持（集群） | 高（部署复杂） | 云原生、K8s 生态场景 |
选型优先级
- 优先选 Redis（Redisson）：平衡性能、易用性和高可用，覆盖绝大多数场景；
- 需公平锁 / 强一致性选 ZooKeeper（Curator）：例如分布式任务调度；
- 低并发 / 无中间件选数据库：例如内部系统的简单并发控制；
- 云原生场景选 Etcd：例如 K8s 集群内的服务协调。
四、注意事项
- 锁的粒度：锁的 key 要精准（例如 “stock_lock_1001” 而非 “stock_lock”），避免大面积并发阻塞；
- 超时设置：锁超时时间需大于业务执行时间，避免业务未完成锁已释放；
- 锁续期：长耗时业务需手动续期（Redisson 自动支持），防止锁超时；
- 异常处理：必须在
finally中释放锁，避免异常导致锁泄漏； - 集群部署：Redis/ZooKeeper/Etcd 必须集群部署，避免单点故障。
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