从构建分布式秒杀系统聊聊分布式锁

前言

最近懒成一坨屎,学不动系列一波接一波,大多还都是底层原理相关的。上周末抽时间重读了周志明大湿的 JVM 高效并发部分,每读一遍都有不同的感悟。路漫漫,借此,把前段时间搞着玩的秒杀案例中的分布式锁深入了解一下。

案例介绍

在尝试了解分布式锁之前,大家可以想象一下,什么场景下会使用分布式锁?

单机应用架构中,秒杀案例使用ReentrantLcok或者synchronized来达到秒杀商品互斥的目的。然而在分布式系统中,会存在多台机器并行去实现同一个功能。也就是说,在多进程中,如果还使用以上JDK提供的进程锁,来并发访问数据库资源就可能会出现商品超卖的情况。因此,需要我们来实现自己的分布式锁。

实现一个分布式锁应该具备的特性:

  • 高可用、高性能的获取锁与释放锁
  • 在分布式系统环境下,一个方法或者变量同一时间只能被一个线程操作
  • 具备锁失效机制,网络中断或宕机无法释放锁时,锁必须被删除,防止死锁
  • 具备阻塞锁特性,即没有获取到锁,则继续等待获取锁
  • 具备非阻塞锁特性,即没有获取到锁,则直接返回获取锁失败
  • 具备可重入特性,一个线程中可以多次获取同一把锁,比如一个线程在执行一个带锁的方法,该方法中又调用了另一个需要相同锁的方法,则该线程可以直接执行调用的方法,而无需重新获得锁

在之前的秒杀案例中,我们曾介绍过关于分布式锁几种实现方式:

  • 基于数据库实现分布式锁
  • 基于 Redis 实现分布式锁
  • 基于 Zookeeper 实现分布式锁

前两种对于分布式生产环境来说并不是特别推荐,高并发下数据库锁性能太差,Redis在锁时间限制和缓存一致性存在一定问题。这里我们重点介绍一下 Zookeeper 如何实现分布式锁。

实现原理

ZooKeeper是一个分布式的,开放源码的分布式应用程序协调服务,它内部是一个分层的文件系统目录树结构,规定同一个目录下只能存在唯一文件名。

数据模型

  • PERSISTENT 持久化节点,节点创建后,不会因为会话失效而消失
  • EPHEMERAL 临时节点, 客户端session超时此类节点就会被自动删除
  • EPHEMERAL_SEQUENTIAL 临时自动编号节点
  • PERSISTENT_SEQUENTIAL 顺序自动编号持久化节点,这种节点会根据当前已存在的节点数自动加 1

监视器(watcher)

当创建一个节点时,可以注册一个该节点的监视器,当节点状态发生改变时,watch被触发时,ZooKeeper将会向客户端发送且仅发送一条通知,因为watch只能被触发一次。

根据zookeeper的这些特性,我们来看看如何利用这些特性来实现分布式锁:

  • 创建一个锁目录lock
  • 线程A获取锁会在lock目录下,创建临时顺序节点
  • 获取锁目录下所有的子节点,然后获取比自己小的兄弟节点,如果不存在,则说明当前线程顺序号最小,获得锁
  • 线程B创建临时节点并获取所有兄弟节点,判断自己不是最小节点,设置监听(watcher)比自己次小的节点(只关注比自己次小的节点是为了防止发生“羊群效应”)
  • 线程A处理完,删除自己的节点,线程B监听到变更事件,判断自己是最小的节点,获得锁

代码分析

尽管ZooKeeper已经封装好复杂易出错的关键服务,将简单易用的接口和性能高效、功能稳定的系统提供给用户。但是如果让一个普通开发者去手撸一个分布式锁还是比较困难的,在秒杀案例中我们直接使用 Apache 开源的curator 开实现 Zookeeper 分布式锁。

这里我们使用以下版本,截止目前最新版4.0.1:

首先,我们看下InterProcessLock接口中的几个方法:

获取锁:

Zookeeper获取锁实现:

释放锁:

测试案例

为了更好的理解其原理和代码分析中获取锁的过程,这里我们实现一个简单的Demo:

这里我们开启5个线程,每个线程获取锁的最大等待时间为5秒,为了模拟具体业务场景,方法中设置4秒等待时间。开始执行main方法,通过ZooInspector监控/curator/lock下的节点如下图:

对,没错,设置4秒的业务处理时长就是为了观察生成了几个顺序节点。果然如案例中所述,每个线程都会生成一个节点并且还是有序的。

观察控制台,我们会发现只有两个线程获取锁成功,另外三个线程超时获取锁失败会自动删除节点。线程执行完毕我们刷新一下/curator/lock节点,发现刚才创建的五个子节点已经不存在了。

小结

通过分析第三方开源工具实现的分布式锁方式,收获还是满满的。学习本身就是一个由浅入深的过程,从如何调用API,到理解其代码逻辑实现,想要更深入可以去挖掘Zookeeper的核心算法ZAB协议。

最后为了方便大家学习,总结了学习过程中遇到的几个关键词:重入锁、自旋锁、有序节点、阻塞、非阻塞、监听,希望对大家有所帮助。

原文发布于微信公众号 - IT技术精选文摘(ITHK01)

原文发表时间:2018-08-05

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