哈希算法题目：设计一个基于哈希的分布式锁服务

题目描述：设计一个基于哈希的分布式锁服务，支持获取锁、释放锁和锁续期功能。要求解决分布式环境下的并发竞争问题，确保同一时刻只有一个客户端能持有锁，并处理客户端崩溃导致的死锁问题。

解题过程：

1. 基本需求分析

• 互斥性：同一时刻只能有一个客户端持有锁
• 避免死锁：锁必须能被释放，即使持有锁的客户端崩溃
• 容错性：服务需要具备高可用性
• 可重入性：同一个客户端可以多次获取同一把锁

2. 核心设计思路

• 使用哈希表存储锁信息，键为资源标识符，值为锁的元数据
• 为每个锁设置唯一标识和过期时间，防止死锁
• 使用租约机制实现锁的自动释放

3. 详细实现步骤

步骤1：定义锁的数据结构

class DistributedLock:
    def __init__(self):
        self.lock_table = {}  # 哈希表：resource -> LockInfo
        
    class LockInfo:
        def __init__(self, client_id, expire_time, version):
            self.client_id = client_id    # 持有锁的客户端ID
            self.expire_time = expire_time  # 锁过期时间戳
            self.version = version        # 版本号，用于乐观锁控制

步骤2：获取锁的实现

def acquire_lock(self, resource, client_id, ttl=30):
    current_time = time.time()
    expire_time = current_time + ttl
    
    if resource not in self.lock_table:
        # 锁不存在，直接获取
        lock_info = self.LockInfo(client_id, expire_time, 1)
        self.lock_table[resource] = lock_info
        return True
    
    existing_lock = self.lock_table[resource]
    
    # 检查锁是否已过期
    if current_time > existing_lock.expire_time:
        # 锁已过期，可以获取
        existing_lock.client_id = client_id
        existing_lock.expire_time = expire_time
        existing_lock.version += 1
        return True
    
    # 检查是否是同一个客户端（可重入）
    if existing_lock.client_id == client_id:
        existing_lock.expire_time = expire_time  # 续期
        return True
    
    return False  # 获取锁失败

步骤3：释放锁的实现

def release_lock(self, resource, client_id):
    if resource not in self.lock_table:
        return False  # 锁不存在
    
    lock_info = self.lock_table[resource]
    
    # 只有锁的持有者才能释放锁
    if lock_info.client_id != client_id:
        return False
    
    # 检查锁是否已过期
    if time.time() > lock_info.expire_time:
        del self.lock_table[resource]
        return True
    
    # 正常释放锁
    del self.lock_table[resource]
    return True

步骤4：锁续期机制

def renew_lock(self, resource, client_id, ttl=30):
    if resource not in self.lock_table:
        return False
    
    lock_info = self.lock_table[resource]
    
    # 只有锁的持有者才能续期
    if lock_info.client_id != client_id:
        return False
    
    # 检查锁是否已过期
    if time.time() > lock_info.expire_time:
        return False
    
    # 续期锁
    lock_info.expire_time = time.time() + ttl
    return True

步骤5：处理分布式环境的挑战

• 时钟同步问题：使用单调递增的版本号而非绝对时间戳
• 网络分区：引入 fencing token 机制防止脑裂
• 高可用性：通过主从复制或共识算法保证服务可用性

4. 优化和改进

• 添加看门狗线程自动续期，防止业务执行时间超过TTL
• 实现非阻塞的尝试获取锁接口
• 添加锁等待队列，实现公平锁
• 支持读写锁分离，提高并发性能

这个设计通过哈希表管理锁状态，结合TTL机制解决了死锁问题，版本控制确保了操作的原子性，为分布式系统提供了可靠的同步机制。