Zookeeper实现分布式锁
导读
- 真是有人(
锁)的地方就有江湖(事务)，今天不谈江湖，来撩撩人。 - 分布式锁的概念、为什么使用分布式锁，想必大家已经很清楚了。前段时间作者写过Redis是如何实现分布式锁，今天这篇文章来谈谈Zookeeper是如何实现分布式锁的。
- 陈某今天分别从如下几个方面来详细讲讲ZK如何实现分布式锁：
- ZK的四种节点
- 排它锁的实现
- 读写锁的实现
- Curator实现分步式锁
ZK的四种节点
- 持久性节点：节点创建后将会一直存在
- 临时节点：临时节点的生命周期和当前会话绑定，一旦当前会话断开临时节点也会删除，当然可以主动删除。
- 持久有序节点：节点创建一直存在，并且zk会自动为节点加上一个自增的后缀作为新的节点名称。
- 临时有序节点：保留临时节点的特性，并且zk会自动为节点加上一个自增的后缀作为新的节点名称。
排它锁的实现
- 排他锁的实现相对简单一点，利用了zk的创建节点不能重名的特性。如下图：
- 根据上图分析大致分为如下步骤：
- 尝试获取锁：创建
临时节点，zk会保证只有一个客户端创建成功。 - 创建临时节点成功，获取锁成功，执行业务逻辑，业务执行完成后删除锁。
- 创建临时节点失败，阻塞等待。
- 监听删除事件，一旦临时节点删除了，表示互斥操作完成了，可以再次尝试获取锁。
- 递归：获取锁的过程是一个递归的操作，
获取锁->监听->获取锁。
- 尝试获取锁：创建
- 如何避免死锁：创建的是临时节点，当服务宕机会话关闭后临时节点将会被删除，锁自动释放。
代码实现
- 作者参照JDK锁的实现方式加上模板方法模式的封装，封装接口如下：
/**
* @Description ZK分布式锁的接口
* @Author 陈某
* @Date 2020/4/7 22:52
*/
public interface ZKLock {
/**
* 获取锁
*/
void lock() throws Exception;
/**
* 解锁
*/
void unlock() throws Exception;
}- 模板抽象类如下：
/**
* @Description 排他锁，模板类
* @Author 陈某
* @Date 2020/4/7 22:55
*/
public abstract class AbstractZKLockMutex implements ZKLock {
/**
* 节点路径
*/
protected String lockPath;
/**
* zk客户端
*/
protected CuratorFramework zkClient;
private AbstractZKLockMutex(){}
public AbstractZKLockMutex(String lockPath,CuratorFramework client){
this.lockPath=lockPath;
this.zkClient=client;
}
/**
* 模板方法，搭建的获取锁的框架，具体逻辑交于子类实现
* @throws Exception
*/
@Override
public final void lock() throws Exception {
//获取锁成功
if (tryLock()){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取锁成功");
}else{ //获取锁失败
//阻塞一直等待
waitLock();
//递归，再次获取锁
lock();
}
}
/**
* 尝试获取锁，子类实现
*/
protected abstract boolean tryLock() ;
/**
* 等待获取锁，子类实现
*/
protected abstract void waitLock() throws Exception;
/**
* 解锁：删除节点或者直接断开连接
*/
@Override
public abstract void unlock() throws Exception;
}- 排他锁的具体实现类如下：
/**
* @Description 排他锁的实现类，继承模板类 AbstractZKLockMutex
* @Author 陈某
* @Date 2020/4/7 23:23
*/
@Data
public class ZKLockMutex extends AbstractZKLockMutex {
/**
* 用于实现线程阻塞
*/
private CountDownLatch countDownLatch;
public ZKLockMutex(String lockPath,CuratorFramework zkClient){
super(lockPath,zkClient);
}
/**
* 尝试获取锁：直接创建一个临时节点，如果这个节点存在创建失败抛出异常，表示已经互斥了，
* 反之创建成功
* @throws Exception
*/
@Override
protected boolean tryLock() {
try {
zkClient.create()
//临时节点
.withMode(CreateMode.EPHEMERAL)
//权限列表 world:anyone:crdwa
.withACL(ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE)
.forPath(lockPath,"lock".getBytes());
return true;
}catch (Exception ex){
return false;
}
}
/**
* 等待锁，一直阻塞监听
* @return 成功获取锁返回true，反之返回false
*/
@Override
protected void waitLock() throws Exception {
//监听节点的新增、更新、删除
final NodeCache nodeCache = new NodeCache(zkClient, lockPath);
//启动监听
nodeCache.start();
ListenerContainer<NodeCacheListener> listenable = nodeCache.getListenable();
//监听器
NodeCacheListener listener=()-> {
//节点被删除，此时获取锁
if (nodeCache.getCurrentData() == null) {
//countDownLatch不为null，表示节点存在，此时监听到节点删除了，因此-1
if (countDownLatch != null)
countDownLatch.countDown();
}
};
//添加监听器
listenable.addListener(listener);
//判断节点是否存在
Stat stat = zkClient.checkExists().forPath(lockPath);
//节点存在
if (stat!=null){
countDownLatch=new CountDownLatch(1);
//阻塞主线程，监听
countDownLatch.await();
}
//移除监听器
listenable.removeListener(listener);
}
/**
* 解锁，直接删除节点
* @throws Exception
*/
@Override
public void unlock() throws Exception {
zkClient.delete().forPath(lockPath);
}
}可重入性排他锁如何设计
- 可重入的逻辑很简单，在本地保存一个
ConcurrentMap，key是当前线程，value是定义的数据，结构如下：
private final ConcurrentMap<Thread, LockData> threadData = Maps.newConcurrentMap();- 重入的伪代码如下：
public boolean tryLock(){
//判断当前线程是否在threadData保存过
//存在，直接return true
//不存在执行获取锁的逻辑
//获取成功保存在threadData中
}读写锁的实现
- 读写锁分为读锁和写锁，区别如下：
- 读锁允许多个线程同时读数据，但是在读的同时不允许写线程修改。
- 写锁在获取后，不允许多个线程同时写或者读。
- 如何实现读写锁？ZK中有一类节点叫临时有序节点，上文有介绍。下面我们来利用临时有序节点来实现读写锁的功能。
读锁的设计
- 读锁允许多个线程同时进行读，并且在读的同时不允许线程进行写操作，实现原理如下图：
- 根据上图，获取一个读锁分为以下步骤：
- 创建临时有序节点（当前线程拥有的
读锁或称作读节点）。 - 获取路径下所有的子节点，并进行
从小到大排序 - 获取当前节点前的临近写节点(写锁)。
- 如果不存在的临近写节点，则成功获取读锁。
- 如果存在临近写节点，对其监听删除事件。
- 一旦监听到删除事件，重复2,3,4,5的步骤(递归)。
- 创建临时有序节点（当前线程拥有的
写锁的设计
- 线程一旦获取了写锁，不允许其他线程读和写。实现原理如下：
- 从上图可以看出唯一和写锁不同的就是监听的节点，这里是监听临近节点(读节点或者写节点)，读锁只需要监听写节点，步骤如下：
- 创建临时有序节点（当前线程拥有的
写锁或称作写节点）。 - 获取路径下的所有子节点，并进行
从小到大排序。 - 获取当前节点的临近节点(读节点和写节点)。
- 如果不存在临近节点，则成功获取锁。
- 如果存在临近节点，对其进行监听删除事件。
- 一旦监听到删除事件，重复2,3,4,5的步骤(递归)。
- 创建临时有序节点（当前线程拥有的
如何监听
- 无论是写锁还是读锁都需要监听前面的节点，不同的是读锁只监听临近的写节点，写锁是监听临近的所有节点，抽象出来看其实是一种链式的监听，如下图：
- 每一个节点都在监听前面的临近节点，一旦前面一个节点删除了，再从新排序后监听前面的节点，这样递归下去。
代码实现
- 作者简单的写了读写锁的实现，先造出来再优化，不建议用在生产环境。代码如下：
public class ZKLockRW {
/**
* 节点路径
*/
protected String lockPath;
/**
* zk客户端
*/
protected CuratorFramework zkClient;
/**
* 用于阻塞线程
*/
private CountDownLatch countDownLatch=new CountDownLatch(1);
private final static String WRITE_NAME="_W_LOCK";
private final static String READ_NAME="_R_LOCK";
public ZKLockRW(String lockPath, CuratorFramework client) {
this.lockPath=lockPath;
this.zkClient=client;
}
/**
* 获取锁，如果获取失败一直阻塞
* @throws Exception
*/
public void lock() throws Exception {
//创建节点
String node = createNode();
//阻塞等待获取锁
tryLock(node);
countDownLatch.await();
}
/**
* 创建临时有序节点
* @return
* @throws Exception
*/
private String createNode() throws Exception {
//创建临时有序节点
return zkClient.create()
.withMode(CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL)
.withACL(ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE)
.forPath(lockPath);
}
/**
* 获取写锁
* @return
*/
public ZKLockRW writeLock(){
return new ZKLockRW(lockPath+WRITE_NAME,zkClient);
}
/**
* 获取读锁
* @return
*/
public ZKLockRW readLock(){
return new ZKLockRW(lockPath+READ_NAME,zkClient);
}
private void tryLock(String nodePath) throws Exception {
//获取所有的子节点
List<String> childPaths = zkClient.getChildren()
.forPath("/")
.stream().sorted().map(o->"/"+o).collect(Collectors.toList());
//第一个节点就是当前的锁，直接获取锁。递归结束的条件
if (nodePath.equals(childPaths.get(0))){
countDownLatch.countDown();
return;
}
//1. 读锁：监听最前面的写锁，写锁释放了，自然能够读了
if (nodePath.contains(READ_NAME)){
//查找临近的写锁
String preNode = getNearWriteNode(childPaths, childPaths.indexOf(nodePath));
if (preNode==null){
countDownLatch.countDown();
return;
}
NodeCache nodeCache=new NodeCache(zkClient,preNode);
nodeCache.start();
ListenerContainer<NodeCacheListener> listenable = nodeCache.getListenable();
listenable.addListener(() -> {
//节点删除事件
if (nodeCache.getCurrentData()==null){
//继续监听前一个节点
String nearWriteNode = getNearWriteNode(childPaths, childPaths.indexOf(preNode));
if (nearWriteNode==null){
countDownLatch.countDown();
return;
}
tryLock(nearWriteNode);
}
});
}
//如果是写锁，前面无论是什么锁都不能读，直接循环监听上一个节点即可，直到前面无锁
if (nodePath.contains(WRITE_NAME)){
String preNode = childPaths.get(childPaths.indexOf(nodePath) - 1);
NodeCache nodeCache=new NodeCache(zkClient,preNode);
nodeCache.start();
ListenerContainer<NodeCacheListener> listenable = nodeCache.getListenable();
listenable.addListener(() -> {
//节点删除事件
if (nodeCache.getCurrentData()==null){
//继续监听前一个节点
tryLock(childPaths.get(childPaths.indexOf(preNode) - 1<0?0:childPaths.indexOf(preNode) - 1));
}
});
}
}
/**
* 查找临近的写节点
* @param childPath 全部的子节点
* @param index 右边界
* @return
*/
private String getNearWriteNode(List<String> childPath,Integer index){
for (int i = 0; i < index; i++) {
String node = childPath.get(i);
if (node.contains(WRITE_NAME))
return node;
}
return null;
}
}Curator实现分步式锁
- Curator是Netflix公司开源的一个Zookeeper客户端，与Zookeeper提供的原生客户端相比，Curator的抽象层次更高，简化了Zookeeper客户端的开发量。
- Curator在分布式锁方面已经为我们封装好了，大致实现的思路就是按照作者上述的思路实现的。中小型互联网公司还是建议直接使用框架封装好的，毕竟稳定，有些大型的互联公司都是手写的，牛逼啊。
- 创建一个排他锁很简单，如下：
//arg1：CuratorFramework连接对象，arg2：节点路径
lock=new InterProcessMutex(client,path);
//获取锁
lock.acquire();
//释放锁
lock.release();- 更多的API请参照官方文档，不是此篇文章重点。
- 至此ZK实现分布式锁就介绍完了，如有想要源码的朋友，老规矩，回复关键词
分布式锁获取。
一点小福利
- 对于Zookeeper不太熟悉的朋友，陈某特地花费两天时间总结了ZK的常用知识点，包括ZK常用shell命令、ZK权限控制、Curator的基本操作API。目录如下：
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原始发表：2020-04-19，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除
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