1. 分布式锁原理

分布式环境下，多台机器上多个进程对同一个共享资源（数据、文件等）进行操作，如果不做互斥，就有可能出现“余额扣成负数”，或者“商品超卖”的情况。为了解决这个问题，需要分布式锁服务。首先，来看一下分布式锁应该具备哪些条件。

• 互斥性：在任意时刻，对于同一个锁，只有一个客户端能持有，从而保证一个共享资源同一时间只能被一个客户端操作；

• 安全性：即不会形成死锁，当一个客户端在持有锁的期间崩溃而没有主动解锁的情况下，其持有的锁也能够被正确释放，并保证后续其它客户端能加锁；

• 可用性：当提供锁服务的节点发生宕机等不可恢复性故障时，“热备” 节点能够接替故障的节点继续提供服务，并保证自身持有的数据与故障节点一致。

• 对称性：对于任意一个锁，其加锁和解锁必须是同一个客户端，即客户端 A 不能把客户端 B 加的锁给解了。

2. etcd 关键特点

Etcd 支持的以下机制：Watch 机制、Lease 机制、Revision 机制和 Prefix 机制，正是这些机制赋予了 Etcd 实现分布式锁的能力。

• Watch 机制：即监听机制，Watch 机制支持监听某个固定的 Key，也支持监听一个范围（前缀机制），当被监听的 Key 或范围发生变化，客户端将收到通知；在实现分布式锁时，如果抢锁失败，可通过 Prefix 机制返回的 Key-Value 列表获得 Revision 比自己小且相差最小的 Key（称为 Pre-Key），对 Pre-Key 进行监听，因为只有它释放锁，自己才能获得锁，如果监听到 Pre-Key 的 DELETE 事件，则说明 Pre-Key 已经释放，自己已经持有锁。

• Lease 机制：即租约机制（TTL，Time To Live），Etcd 可以为存储的 Key-Value 对设置租约，当租约到期，Key-Value 将失效删除；同时也支持续约，通过客户端可以在租约到期之前续约，以避免 Key-Value 对过期失效。Lease 机制可以保证分布式锁的安全性，为锁对应的 Key 配置租约，即使锁的持有者因故障而不能主动释放锁，锁也会因租约到期而自动释放。

• Revision 机制：每个 Key 带有一个 Revision 号，每进行一次事务便加一，因此它是全局唯一的，如初始值为 0，进行一次 put(key, value)，Key 的 Revision 变为 1，同样的操作，再进行一次，Revision 变为 2；换成 key1 进行 put(key1, value) 操作，Revision 将变为 3；这种机制有一个作用：通过 Revision 的大小就可以知道写操作的顺序。在实现分布式锁时，多个客户端同时抢锁，根据 Revision 号大小依次获得锁，可以避免 “羊群效应” （也称“惊群效应”），实现公平锁。

• Prefix 机制：即前缀机制，也称目录机制，例如，一个名为 /mylock 的锁，两个争抢它的客户端进行写操作，实际写入的 Key 分别为：key1="/mylock/UUID1",key2="/mylock/UUID2"，其中，UUID 表示全局唯一的 ID，确保两个 Key 的唯一性。很显然，写操作都会成功，但返回的 Revision 不一样，那么，如何判断谁获得了锁呢？通过前缀 /mylock 查询，返回包含两个 Key-Value 对的 Key-Value 列表，同时也包含它们的 Revision，通过 Revision 大小，客户端可以判断自己是否获得锁，如果抢锁失败，则等待锁释放（对应的 Key 被删除或者租约过期），然后再判断自己是否可以获得锁。

3. 基于 Etcd 的分布式锁方案一

下面描述了使用 Etcd 实现分布式锁的业务流程，假设对某个共享资源设置的锁名为：/lock/mylock。

步骤1：准备

客户端连接 Etcd，以 /lock/mylock 为前缀创建全局唯一的 Key，假设第一个客户端对应的 Key="/lock/mylock/UUID1"，第二个为 Key="/lock/mylock/UUID2"；客户端分别为自己的 Key 创建租约 Lease，租约的长度根据业务耗时确定，假设为 15s。

步骤2：创建定时任务作为租约的“心跳”

在一个客户端持有锁期间，其它客户端只能等待，为了避免等待期间租约失效，客户端需创建一个定时任务作为“心跳”进行续约。此外，如果持有锁期间客户端崩溃，心跳停止，Key 将因租约到期而被删除，从而锁释放，避免死锁。

步骤3：客户端将自己全局唯一的 Key 写入 Etcd

进行 Put 操作，将步骤 1 中创建的 Key 绑定租约写入 Etcd，根据 Etcd 的 Revision 机制，假设两个客户端 Put 操作返回的 Revision 分别为1、2，客户端需记录 Revision 用以接下来判断自己是否获得锁。

步骤4：客户端判断是否获得锁

客户端以前缀 /lock/mylock 读取 Key-Value 列表（Key-Value 中带有 Key 对应的 Revision），判断自己 Key 的 Revision 是否为当前列表中最小的，如果是则认为获得锁；否则监听列表中前一个 Revision 比自己小的 Key 的删除事件，一旦监听到删除事件或者因租约失效而删除的事件，则自己获得锁。

步骤5：执行业务

获得锁后，操作共享资源，执行业务代码。

步骤6：释放锁

完成业务流程后，删除对应的 Key 释放锁。

代码实现

import java.util.List;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.TimeoutException;

import com.coreos.jetcd.Client;
import com.coreos.jetcd.KV;
import com.coreos.jetcd.Lease;
import com.coreos.jetcd.Watch.Watcher;
import com.coreos.jetcd.options.GetOption;
import com.coreos.jetcd.options.GetOption.SortTarget;
import com.coreos.jetcd.options.PutOption;
import com.coreos.jetcd.watch.WatchEvent;
import com.coreos.jetcd.watch.WatchResponse;
import com.coreos.jetcd.data.ByteSequence;
import com.coreos.jetcd.data.KeyValue;
import com.coreos.jetcd.kv.PutResponse;

import java.util.UUID;

/** * Etcd 客户端代码，用多个线程“抢锁”模拟分布式系统中，多个进程“抢锁” * */
public class EtcdClient
{
    

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException,
            TimeoutException, ClassNotFoundException
    {
    
            // 创建Etcd客户端，Etcd服务端为单机模式
        Client client = Client.builder().endpoints("http://localhost:2379").build();

        // 对于某共享资源制定的锁名
        String lockName = "/lock/mylock";

        // 模拟分布式场景下，多个进程“抢锁”
        for (int i = 0; i < 3; i++)
        {
    
            new MyThread(lockName, client).start();
        }    
    }

    /** * 加锁方法，返回值为加锁操作中实际存储于Etcd中的Key，即：lockName+UUID， * 根据返回的Key，可删除存储于Etcd中的键值对，达到释放锁的目的。 * * @param lockName * @param client * @param leaseId * @return */
    public static String lock(String lockName, Client client, long leaseId)
    {
    
        // lockName作为实际存储在Etcd的中的Key的前缀，后缀是一个全局唯一的ID，从而确保：对于同一个锁，不同进程存储的Key具有相同的前缀，不同的后缀
        StringBuffer strBufOfRealKey = new StringBuffer();
        strBufOfRealKey.append(lockName);
        strBufOfRealKey.append("/");
        strBufOfRealKey.append(UUID.randomUUID().toString());

        // 加锁操作实际上是一个put操作，每一次put操作都会使revision增加1，因此，对于任何一次操作，这都是唯一的。(get,delete也一样)
        // 可以通过revision的大小确定进行抢锁操作的时序，先进行抢锁的，revision较小，后面依次增加。
        // 用于记录自己“抢锁”的Revision，初始值为0L
        long revisionOfMyself = 0L;

        KV kvClient = client.getKVClient();
        // lock，尝试加锁，加锁只关注Key，value不为空即可。
        // 注意：这里没有考虑可靠性和重试机制，实际应用中应考虑put操作而重试
        try
        {
    
            PutResponse putResponse = kvClient
                    .put(ByteSequence.fromString(strBufOfRealKey.toString()),
                            ByteSequence.fromString("value"),
                            PutOption.newBuilder().withLeaseId(leaseId).build())
                    .get(10, TimeUnit.SECONDS);

            // 获取自己加锁操作的Revision号
            revisionOfMyself = putResponse.getHeader().getRevision();
        }
        catch (InterruptedException | ExecutionException | TimeoutException e1)
        {
    
            System.out.println("[error]: lock operation failed:" + e1);
        }

        try
        {
    
            // lockName作为前缀，取出所有键值对，并且根据Revision进行升序排列，版本号小的在前
            List<KeyValue> kvList = kvClient.get(ByteSequence.fromString(lockName),
                    GetOption.newBuilder().withPrefix(ByteSequence.fromString(lockName))
                            .withSortField(SortTarget.MOD).build())
                    .get().getKvs();

            // 如果自己的版本号最小，则表明自己持有锁成功，否则进入监听流程，等待锁释放
            if (revisionOfMyself == kvList.get(0).getModRevision())
            {
    
                System.out.println("[lock]: lock successfully. [revision]:" + revisionOfMyself);
                // 加锁成功，返回实际存储于Etcd中的Key
                return strBufOfRealKey.toString();
            }
            else
            {
    
                // 记录自己加锁操作的前一个加锁操作的索引，因为只有前一个加锁操作完成并释放，自己才能获得锁
                int preIndex = 0;
                for (int index = 0; index < kvList.size(); index++)
                {
                     
                    if (kvList.get(index).getModRevision() == revisionOfMyself)
                    {
    
                        preIndex = index - 1;// 前一个加锁操作，故比自己的索引小1
                    }
                }
                // 根据索引，获得前一个加锁操作对应的Key
                ByteSequence preKeyBS = kvList.get(preIndex).getKey();

                // 创建一个Watcher，用于监听前一个Key
                Watcher watcher = client.getWatchClient().watch(preKeyBS);
                WatchResponse res = null;
                // 监听前一个Key，将处于阻塞状态，直到前一个Key发生delete事件
                // 需要注意的是，一个Key对应的事件不只有delete，不过，对于分布式锁来说，除了加锁就是释放锁
                // 因此，这里只要监听到事件，必然是delete事件或者Key因租约过期而失效删除，结果都是锁被释放
                try
                {
    
                        System.out.println("[lock]: keep waiting until the lock is released.");
                    res = watcher.listen();
                }
                catch (InterruptedException e)
                {
    
                    System.out.println("[error]: failed to listen key.");
                }

                // 为了便于读者理解，此处写一点冗余代码，判断监听事件是否为DELETE，即释放锁
                List<WatchEvent> eventlist = res.getEvents();
                for (WatchEvent event : eventlist)
                {
    
                        // 如果监听到DELETE事件，说明前一个加锁操作完成并已经释放，自己获得锁，返回
                    if (event.getEventType().toString().equals("DELETE"))
                    {
    
                            System.out.println("[lock]: lock successfully. [revision]:" + revisionOfMyself);
                        return strBufOfRealKey.toString();
                    }
                }
            }
        }
        catch (InterruptedException | ExecutionException e)
        {
    
            System.out.println("[error]: lock operation failed:" + e);
        }

        return strBufOfRealKey.toString();
    }

    /** * 释放锁方法，本质上就是删除实际存储于Etcd中的Key * * @param lockName * @param client */
    public static void unLock(String realLockName, Client client)
    {
    
        try
        {
    
            client.getKVClient().delete(ByteSequence.fromString(realLockName)).get(10,
                    TimeUnit.SECONDS);
            System.out.println("[unLock]: unlock successfully.[lockName]:" + realLockName);
        }
        catch (InterruptedException | ExecutionException | TimeoutException e)
        {
    
            System.out.println("[error]: unlock failed：" + e);
        }
    }

    /** * 自定义一个线程类，模拟分布式场景下多个进程 "抢锁" */
    public static class MyThread extends Thread
    {
    
        private String lockName;
        private Client client;

        MyThread(String lockName, Client client)
        {
    
            this.client = client;
            this.lockName = lockName;
        }

        @Override
        public void run()
        {
    
            // 创建一个租约，有效期15s
            Lease leaseClient = client.getLeaseClient();
            Long leaseId = null;
            try
            {
    
                leaseId = leaseClient.grant(15).get(10, TimeUnit.SECONDS).getID();
            } 
            catch (InterruptedException | ExecutionException | TimeoutException e1)
            {
    
                 System.out.println("[error]: create lease failed:" + e1);
                 return;
            }

            // 创建一个定时任务作为“心跳”，保证等待锁释放期间，租约不失效；
            // 同时，一旦客户端发生故障，心跳便会中断，锁也会应租约过期而被动释放，避免死锁
                ScheduledExecutorService service = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();  
            // 续约心跳为12s，仅作为举例 
            service.scheduleAtFixedRate(new KeepAliveTask(leaseClient, leaseId), 1, 12, TimeUnit.SECONDS); 

            // 1. try to lock
            String realLoclName = lock(lockName, client, leaseId);

            // 2. to do something
            try
            {
    
                Thread.sleep(6000);
            }
            catch (InterruptedException e2)
            {
    
                System.out.println("[error]:" + e2);
            }
            // 3. unlock
            service.shutdown();// 关闭续约的定时任务
            unLock(realLoclName, client);
        }
    }

    /** * 在等待其它客户端释放锁期间，通过心跳续约，保证自己的Key-Value不会失效 * */
    public static class KeepAliveTask implements Runnable
    {
    
            private Lease leaseClient;
            private long leaseId;

            KeepAliveTask(Lease leaseClient, long leaseId)
            {
    
                this.leaseClient = leaseClient;
                this.leaseId = leaseId;
            }

            @Override
        public void run()
        {
    
                leaseClient.keepAliveOnce(leaseId);     
        }
    }
}

输出结果

[lock]: lock successfully. [revision]:44
[lock]: keep waiting until the lock is released.
[lock]: keep waiting until the lock is released.
[unLock]: unlock successfully.
[lock]: lock successfully. [revision]:45
[unLock]: unlock successfully.
[lock]: lock successfully. [revision]:46
[unLock]: unlock successfully.

4. 基于 Etcd 的分布式锁方案二

Etcd 最新版本提供了支持分布式锁的基础接口，其本质就是将上节介绍的实现细节进行了封装。单从使用的角度来看，这是非常有益的，大大降低了分布式锁的实现难度。但与此同时，简化的接口也无形中为用户理解内部原理设置了屏障。

我们先用 Etcd 官方提供的 Go 语言客户端（etcdctl）验证一下分布式锁的实现原理。解压官方提供的 Etcd 安装包，里面有两个可执行文件：etcd 和 etcdctl，其中 etcd 是服务端，etcdctl 是客户端。在服务端启动的前提下，执行以下命令验证分布式锁原理。

（1）分别开启两个窗口，进入 etcdctl 所在目录，执行以下命令，显式指定 API 版本为 V3，老版本 V2 不支持分布式锁接口。

export ETCDCTL_API=3

（2）分别在两个窗口执行相同的加锁命令：

./etcdctl.exe lock mylock

（3）可以观察到，只有一个加锁成功，并返回了实际存储与 Etcd 中 Key 值：

$ ./etcdctl.exe lock mylock
mylock/694d65eb367c7ec4

（4）在加锁成功的窗口执行命令：Ctrl+c，释放锁；与此同时，另一个窗口加锁成功，如下所示：

$ ./etcdctl.exe lock mylock
mylock/694d65eb367c7ec8

很明显，同样的锁名 mylock，两个客户端分别进行加锁操作，实际存储于 Etcd 中的 Key 并不是 mylock，而是以 mylock 为前缀，分别加了一个全局唯一的 ID。是不是和 “路线一” 中介绍得原理一致呢。

分布式锁代码实现

import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

import com.coreos.jetcd.Client;
import com.coreos.jetcd.Lease;
import com.coreos.jetcd.Lock;
import com.coreos.jetcd.data.ByteSequence;

public class DistributedLock
{
    
    private static DistributedLock lockProvider = null;
    private static Object mutex = new Object();
    private Client client;
    private Lock lockClient;
    private Lease leaseClient;

    private DistributedLock()
    {
    
        super();
        // 创建Etcd客户端，本例中Etcd集群只有一个节点
        this.client = Client.builder().endpoints("http://localhost:2379").build();
        this.lockClient = client.getLockClient();
        this.leaseClient = client.getLeaseClient();
    }

    public static DistributedLock getInstance()
    {
    
        synchronized (mutex)
        {
    
            if (null == lockProvider)
            {
    
                lockProvider = new DistributedLock();
            }
        }
        return lockProvider;
    }

    /** * 加锁操作，需要注意的是，本例中没有加入重试机制，加锁失败将直接返回。 * * @param lockName: 针对某一共享资源(数据、文件等)制定的锁名 * @param TTL : Time To Live，租约有效期，一旦客户端崩溃，可在租约到期后自动释放锁 * @return LockResult */
    public LockResult lock(String lockName, long TTL)
    {
    
        LockResult lockResult = new LockResult();
        /*1.准备阶段*/
        // 创建一个定时任务作为“心跳”，保证等待锁释放期间，租约不失效；
        // 同时，一旦客户端发生故障，心跳便会停止，锁也会因租约过期而被动释放，避免死锁
        ScheduledExecutorService service = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();

        // 初始化返回值lockResult
        lockResult.setIsLockSuccess(false);
        lockResult.setService(service);

        // 记录租约ID，初始值设为 0L
        Long leaseId = 0L;

        /*2.创建租约*/
        // 创建一个租约，租约有效期为TTL，实际应用中根据具体业务确定。
        try
        {
    
            leaseId = leaseClient.grant(TTL).get().getID();
            lockResult.setLeaseId(leaseId);

            // 启动定时任务续约，心跳周期和初次启动延时计算公式如下，可根据实际业务制定。
            long period = TTL - TTL / 5;
            service.scheduleAtFixedRate(new KeepAliveTask(leaseClient, leaseId), period, period,
                    TimeUnit.SECONDS);
        }
        catch (InterruptedException | ExecutionException e)
        {
    
            System.out.println("[error]: Create lease failed:" + e);
            return lockResult;
        }

        System.out.println("[lock]: start to lock." + Thread.currentThread().getName());

        /*3.加锁操作*/
        // 执行加锁操作，并为锁对应的Key绑定租约
        try
        {
    
            lockClient.lock(ByteSequence.fromString(lockName), leaseId).get();
        }
        catch (InterruptedException | ExecutionException e1)
        {
    
            System.out.println("[error]: lock failed:" + e1);
            return lockResult;
        }
        System.out.println("[lock]: lock successfully." + Thread.currentThread().getName());

        lockResult.setIsLockSuccess(true);

        return lockResult;
    }

    /** * 解锁操作，释放锁、关闭定时任务、解除租约 * * @param lockName:锁名 * @param lockResult:加锁操作返回的结果 */
    public void unLock(String lockName, LockResult lockResult)
    {
    
        System.out.println("[unlock]: start to unlock." + Thread.currentThread().getName());
        try
        {
    
            // 释放锁 
            lockClient.unlock(ByteSequence.fromString(lockName)).get();
            // 关闭定时任务
            lockResult.getService().shutdown();
            // 删除租约
            if (lockResult.getLeaseId() != 0L)
            {
    
                leaseClient.revoke(lockResult.getLeaseId());
            }
        }
        catch (InterruptedException | ExecutionException e)
        {
    
            System.out.println("[error]: unlock failed: " + e);
        }

        System.out.println("[unlock]: unlock successfully." + Thread.currentThread().getName());
    }

    /** * 在等待其它客户端释放锁期间，通过心跳续约，保证自己的锁对应租约不会失效 * */
    public static class KeepAliveTask implements Runnable
    {
    
        private Lease leaseClient;
        private long leaseId;

        KeepAliveTask(Lease leaseClient, long leaseId)
        {
    
            this.leaseClient = leaseClient;
            this.leaseId = leaseId;
        }

        @Override
        public void run()
        {
    
            // 续约一次
            leaseClient.keepAliveOnce(leaseId);
        }
    }

    /** * 该class用于描述加锁的结果，同时携带解锁操作所需参数 * */
    public static class LockResult
    {
    
        private boolean isLockSuccess;
        private long leaseId;
        private ScheduledExecutorService service;

        LockResult()
        {
    
            super();
        }

        public void setIsLockSuccess(boolean isLockSuccess)
        {
    
            this.isLockSuccess = isLockSuccess;
        }

        public void setLeaseId(long leaseId)
        {
    
            this.leaseId = leaseId;
        }

        public void setService(ScheduledExecutorService service)
        {
    
            this.service = service;
        }

        public boolean getIsLockSuccess()
        {
    
            return this.isLockSuccess;
        }

        public long getLeaseId()
        {
    
            return this.leaseId;
        }

        public ScheduledExecutorService getService()
        {
    
            return this.service;
        }
    }

}

测试代码

public class DistributedLockTest
{
    

    public static void main(String[] args)
    {
    
        // 模拟分布式场景下，多个进程 “抢锁”
        for (int i = 0; i < 5; i++)
        {
    
            new MyThread().start();
        }
    }

    public static class MyThread extends Thread
    {
    
        @Override
        public void run()
        {
    
            String lockName = "/lock/mylock";
            // 1. 加锁
            LockResult lockResult = DistributedLock.getInstance().lock(lockName, 30);

            // 2. 执行业务
            if (lockResult.getIsLockSuccess())
            {
    
                // 获得锁后，执行业务，用sleep方法模拟.
                try
                {
    
                    Thread.sleep(10000);
                }
                catch (InterruptedException e)
                {
    
                    System.out.println("[error]:" + e);
                }
            }

            // 3. 解锁
            DistributedLock.getInstance().unLock(lockName, lockResult);
        }
    }
}

输出结果：

[lock]: start to lock.Thread-4
[lock]: start to lock.Thread-3
[lock]: start to lock.Thread-1
[lock]: start to lock.Thread-0
[lock]: start to lock.Thread-2
[lock]: lock successfully.Thread-3
[unlock]: start to unlock.Thread-3
[unlock]: unlock successfully.Thread-3
[lock]: lock successfully.Thread-2
[unlock]: start to unlock.Thread-2
[unlock]: unlock successfully.Thread-2
[lock]: lock successfully.Thread-1
[unlock]: start to unlock.Thread-1
[unlock]: unlock successfully.Thread-1
[lock]: lock successfully.Thread-0
[unlock]: start to unlock.Thread-0
[unlock]: unlock successfully.Thread-0
[lock]: lock successfully.Thread-4
[unlock]: start to unlock.Thread-4
[unlock]: unlock successfully.Thread-4

参考：
https://download.csdn.net/columnTopic/5b8760d3ea7bc512755e5fad