實(shí)現(xiàn)分布式鎖目前有三種流行方案喘漏，分別為基于數(shù)據(jù)庫(kù)萌业、Redis栏豺、Zookeeper的方案，本文主要闡述基于Zookeeper的分布式鎖阴汇，其他兩種會(huì)在后文中一起探討。現(xiàn)在我們來(lái)看下使用Zookeeper如何實(shí)現(xiàn)分布式鎖节槐。
Zookeeper（業(yè)界簡(jiǎn)稱zk）是一種提供配置管理、分布式協(xié)同以及命名的中心化服務(wù)铜异，這些提供的功能都是分布式系統(tǒng)中非常底層且必不可少的基本功能哥倔，但是如果自己實(shí)現(xiàn)這些功能而且要達(dá)到高吞吐、低延遲同時(shí)還要保持一致性和可用性揍庄，實(shí)際上非常困難咆蒿。因此zookeeper提供了這些功能，開發(fā)者在zookeeper之上構(gòu)建自己的各種分布式系統(tǒng)蚂子。
雖然zookeeper的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜沃测，但是它提供的模型抽象卻是非常簡(jiǎn)單的。Zookeeper提供一個(gè)多層級(jí)的節(jié)點(diǎn)命名空間（節(jié)點(diǎn)稱為znode）食茎，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都用一個(gè)以斜杠（/）分隔的路徑表示蒂破，而且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有父節(jié)點(diǎn)（根節(jié)點(diǎn)除外），非常類似于文件系統(tǒng)别渔。例如附迷，/foo/doo這個(gè)表示一個(gè)znode，它的父節(jié)點(diǎn)為/foo哎媚，父父節(jié)點(diǎn)為/喇伯，而/為根節(jié)點(diǎn)沒(méi)有父節(jié)點(diǎn)。與文件系統(tǒng)不同的是拨与，這些節(jié)點(diǎn)都可以設(shè)置關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)稻据，而文件系統(tǒng)中只有文件節(jié)點(diǎn)可以存放數(shù)據(jù)而目錄節(jié)點(diǎn)不行。Zookeeper為了保證高吞吐和低延遲买喧，在內(nèi)存中維護(hù)了這個(gè)樹狀的目錄結(jié)構(gòu)捻悯，這種特性使得Zookeeper不能用于存放大量的數(shù)據(jù)箩朴，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的存放數(shù)據(jù)上限為1M。
而為了保證高可用秋度，zookeeper需要以集群形態(tài)來(lái)部署炸庞，這樣只要集群中大部分機(jī)器是可用的（能夠容忍一定的機(jī)器故障），那么zookeeper本身仍然是可用的荚斯〔壕樱客戶端在使用zookeeper時(shí)，需要知道集群機(jī)器列表事期，通過(guò)與集群中的某一臺(tái)機(jī)器建立TCP連接來(lái)使用服務(wù)滥壕，客戶端使用這個(gè)TCP鏈接來(lái)發(fā)送請(qǐng)求、獲取結(jié)果兽泣、獲取監(jiān)聽事件以及發(fā)送心跳包绎橘。如果這個(gè)連接異常斷開了，客戶端可以連接到另外的機(jī)器上唠倦。
架構(gòu)簡(jiǎn)圖如下所示：
客戶端的讀請(qǐng)求可以被集群中的任意一臺(tái)機(jī)器處理称鳞，如果讀請(qǐng)求在節(jié)點(diǎn)上注冊(cè)了監(jiān)聽器，這個(gè)監(jiān)聽器也是由所連接的zookeeper機(jī)器來(lái)處理稠鼻。對(duì)于寫請(qǐng)求冈止，這些請(qǐng)求會(huì)同時(shí)發(fā)給其他zookeeper機(jī)器并且達(dá)成一致后，請(qǐng)求才會(huì)返回成功候齿。因此熙暴，隨著zookeeper的集群機(jī)器增多，讀請(qǐng)求的吞吐會(huì)提高但是寫請(qǐng)求的吞吐會(huì)下降慌盯。
有序性是zookeeper中非常重要的一個(gè)特性周霉，所有的更新都是全局有序的，每個(gè)更新都有一個(gè)唯一的時(shí)間戳亚皂，這個(gè)時(shí)間戳稱為zxid（Zookeeper Transaction Id）俱箱。而讀請(qǐng)求只會(huì)相對(duì)于更新有序，也就是讀請(qǐng)求的返回結(jié)果中會(huì)帶有這個(gè)zookeeper最新的zxid孕讳。
如何使用zookeeper實(shí)現(xiàn)分布式鎖匠楚？
在描述算法流程之前，先看下zookeeper中幾個(gè)關(guān)于節(jié)點(diǎn)的有趣的性質(zhì)：
有序節(jié)點(diǎn)：假如當(dāng)前有一個(gè)父節(jié)點(diǎn)為/lock厂财，我們可以在這個(gè)父節(jié)點(diǎn)下面創(chuàng)建子節(jié)點(diǎn)；zookeeper提供了一個(gè)可選的有序特性峡懈，例如我們可以創(chuàng)建子節(jié)點(diǎn)“/lock/node-”并且指明有序璃饱，那么zookeeper在生成子節(jié)點(diǎn)時(shí)會(huì)根據(jù)當(dāng)前的子節(jié)點(diǎn)數(shù)量自動(dòng)添加整數(shù)序號(hào)，也就是說(shuō)如果是第一個(gè)創(chuàng)建的子節(jié)點(diǎn)肪康，那么生成的子節(jié)點(diǎn)為/lock/node-0000000000荚恶，下一個(gè)節(jié)點(diǎn)則為/lock/node-0000000001撩穿，依次類推。
臨時(shí)節(jié)點(diǎn)：客戶端可以建立一個(gè)臨時(shí)節(jié)點(diǎn)谒撼，在會(huì)話結(jié)束或者會(huì)話超時(shí)后食寡，zookeeper會(huì)自動(dòng)刪除該節(jié)點(diǎn)。
事件監(jiān)聽：在讀取數(shù)據(jù)時(shí)廓潜，我們可以同時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)置事件監(jiān)聽抵皱，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)或結(jié)構(gòu)變化時(shí)，zookeeper會(huì)通知客戶端辩蛋。當(dāng)前zookeeper有如下四種事件：1）節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建呻畸；2）節(jié)點(diǎn)刪除；3）節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)修改悼院；4）子節(jié)點(diǎn)變更伤为。
下面描述使用zookeeper實(shí)現(xiàn)分布式鎖的算法流程，假設(shè)鎖空間的根節(jié)點(diǎn)為/lock：
客戶端連接zookeeper据途，并在/lock下創(chuàng)建臨時(shí)的且有序的子節(jié)點(diǎn)绞愚，第一個(gè)客戶端對(duì)應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)為/lock/lock-0000000000，第二個(gè)為/lock/lock-0000000001颖医，以此類推爽醋。
客戶端獲取/lock下的子節(jié)點(diǎn)列表，判斷自己創(chuàng)建的子節(jié)點(diǎn)是否為當(dāng)前子節(jié)點(diǎn)列表中序號(hào)最小的子節(jié)點(diǎn)便脊，如果是則認(rèn)為獲得鎖蚂四，否則監(jiān)聽/lock的子節(jié)點(diǎn)變更消息，獲得子節(jié)點(diǎn)變更通知后重復(fù)此步驟直至獲得鎖哪痰；
執(zhí)行業(yè)務(wù)代碼遂赠；
完成業(yè)務(wù)流程后，刪除對(duì)應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)釋放鎖晌杰。
步驟1中創(chuàng)建的臨時(shí)節(jié)點(diǎn)能夠保證在故障的情況下鎖也能被釋放跷睦，考慮這么個(gè)場(chǎng)景：假如客戶端a當(dāng)前創(chuàng)建的子節(jié)點(diǎn)為序號(hào)最小的節(jié)點(diǎn)，獲得鎖之后客戶端所在機(jī)器宕機(jī)了肋演，客戶端沒(méi)有主動(dòng)刪除子節(jié)點(diǎn)抑诸；如果創(chuàng)建的是永久的節(jié)點(diǎn)，那么這個(gè)鎖永遠(yuǎn)不會(huì)釋放爹殊，導(dǎo)致死鎖蜕乡；由于創(chuàng)建的是臨時(shí)節(jié)點(diǎn)，客戶端宕機(jī)后梗夸，過(guò)了一定時(shí)間zookeeper沒(méi)有收到客戶端的心跳包判斷會(huì)話失效层玲，將臨時(shí)節(jié)點(diǎn)刪除從而釋放鎖。
另外細(xì)心的朋友可能會(huì)想到，在步驟2中獲取子節(jié)點(diǎn)列表與設(shè)置監(jiān)聽這兩步操作的原子性問(wèn)題辛块，考慮這么個(gè)場(chǎng)景：客戶端a對(duì)應(yīng)子節(jié)點(diǎn)為/lock/lock-0000000000畔派，客戶端b對(duì)應(yīng)子節(jié)點(diǎn)為/lock/lock-0000000001，客戶端b獲取子節(jié)點(diǎn)列表時(shí)發(fā)現(xiàn)自己不是序號(hào)最小的润绵，但是在設(shè)置監(jiān)聽器前客戶端a完成業(yè)務(wù)流程刪除了子節(jié)點(diǎn)/lock/lock-0000000000线椰，客戶端b設(shè)置的監(jiān)聽器豈不是丟失了這個(gè)事件從而導(dǎo)致永遠(yuǎn)等待了？這個(gè)問(wèn)題不存在的尘盼。因?yàn)閦ookeeper提供的API中設(shè)置監(jiān)聽器的操作與讀操作是原子執(zhí)行的憨愉，也就是說(shuō)在讀子節(jié)點(diǎn)列表時(shí)同時(shí)設(shè)置監(jiān)聽器，保證不會(huì)丟失事件悔叽。
最后莱衩，對(duì)于這個(gè)算法有個(gè)極大的優(yōu)化點(diǎn)：假如當(dāng)前有1000個(gè)節(jié)點(diǎn)在等待鎖，如果獲得鎖的客戶端釋放鎖時(shí)娇澎，這1000個(gè)客戶端都會(huì)被喚醒笨蚁，這種情況稱為“羊群效應(yīng)”；在這種羊群效應(yīng)中趟庄，zookeeper需要通知1000個(gè)客戶端括细，這會(huì)阻塞其他的操作，最好的情況應(yīng)該只喚醒新的最小節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的客戶端戚啥。應(yīng)該怎么做呢奋单？在設(shè)置事件監(jiān)聽時(shí)，每個(gè)客戶端應(yīng)該對(duì)剛好在它之前的子節(jié)點(diǎn)設(shè)置事件監(jiān)聽猫十，例如子節(jié)點(diǎn)列表為/lock/lock-0000000000览濒、/lock/lock-0000000001、/lock/lock-0000000002拖云，序號(hào)為1的客戶端監(jiān)聽序號(hào)為0的子節(jié)點(diǎn)刪除消息贷笛，序號(hào)為2的監(jiān)聽序號(hào)為1的子節(jié)點(diǎn)刪除消息。
所以調(diào)整后的分布式鎖算法流程如下：
客戶端連接zookeeper宙项，并在/lock下創(chuàng)建臨時(shí)的且有序的子節(jié)點(diǎn)乏苦，第一個(gè)客戶端對(duì)應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)為/lock/lock-0000000000，第二個(gè)為/lock/lock-0000000001尤筐，以此類推汇荐。
客戶端獲取/lock下的子節(jié)點(diǎn)列表，判斷自己創(chuàng)建的子節(jié)點(diǎn)是否為當(dāng)前子節(jié)點(diǎn)列表中序號(hào)最小的子節(jié)點(diǎn)盆繁，如果是則認(rèn)為獲得鎖掀淘，否則監(jiān)聽剛好在自己之前一位的子節(jié)點(diǎn)刪除消息，獲得子節(jié)點(diǎn)變更通知后重復(fù)此步驟直至獲得鎖改基；
執(zhí)行業(yè)務(wù)代碼繁疤；
完成業(yè)務(wù)流程后咖为，刪除對(duì)應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)釋放鎖秕狰。
雖然zookeeper原生客戶端暴露的API已經(jīng)非常簡(jiǎn)潔了稠腊，但是實(shí)現(xiàn)一個(gè)分布式鎖還是比較麻煩的…我們可以直接使用curator這個(gè)開源項(xiàng)目提供的zookeeper分布式鎖實(shí)現(xiàn)。
我們只需要引入下面這個(gè)包（基于maven）：
org.apache.curator
curator-recipes
4.0.0
然后就可以用啦鸣哀！代碼如下：
publicstaticvoidmain(String[]args)throwsException{
//創(chuàng)建zookeeper的客戶端
RetryPolicyretryPolicy=newExponentialBackoffRetry(1000,3);
CuratorFrameworkclient=CuratorFrameworkFactory.newClient("10.21.41.181:2181,10.21.42.47:2181,10.21.49.252:2181",retryPolicy);
client.start();
//創(chuàng)建分布式鎖, 鎖空間的根節(jié)點(diǎn)路徑為/curator/lock
InterProcessMutexmutex=newInterProcessMutex(client,"/curator/lock");
mutex.acquire();
//獲得了鎖, 進(jìn)行業(yè)務(wù)流程
System.out.println("Enter mutex");
//完成業(yè)務(wù)流程, 釋放鎖
mutex.release();
//關(guān)閉客戶端
client.close();
}
可以看到關(guān)鍵的核心操作就只有mutex.acquire()和mutex.release()架忌，簡(jiǎn)直太方便了！
下面來(lái)分析下獲取鎖的源碼實(shí)現(xiàn)我衬。acquire的方法如下：
/*
* 獲取鎖叹放，當(dāng)鎖被占用時(shí)會(huì)阻塞等待，這個(gè)操作支持同線程的可重入（也就是重復(fù)獲取鎖）挠羔，acquire的次數(shù)需要與release的次數(shù)相同井仰。
* @throws Exception ZK errors, connection interruptions
*/
@Override
publicvoidacquire()throwsException
{
if(!internalLock(-1,null))
{
thrownewIOException("Lost connection while trying to acquire lock: "+basePath);
}
}
這里有個(gè)地方需要注意，當(dāng)與zookeeper通信存在異常時(shí)破加，acquire會(huì)直接拋出異常俱恶，需要使用者自身做重試策略。代碼中調(diào)用了internalLock(-1, null)范舀，參數(shù)表明在鎖被占用時(shí)永久阻塞等待合是。internalLock的代碼如下：
privatebooleaninternalLock(longtime,TimeUnitunit)throwsException
{
//這里處理同線程的可重入性，如果已經(jīng)獲得鎖锭环，那么只是在對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中增加acquire的次數(shù)統(tǒng)計(jì)聪全，直接返回成功
ThreadcurrentThread=Thread.currentThread();
LockDatalockData=threadData.get(currentThread);
if(lockData!=null)
{
// re-entering
lockData.lockCount.incrementAndGet();
returntrue;
}
//這里才真正去zookeeper中獲取鎖
StringlockPath=internals.attemptLock(time,unit,getLockNodeBytes());
if(lockPath!=null)
{
//獲得鎖之后，記錄當(dāng)前的線程獲得鎖的信息辅辩，在重入時(shí)只需在LockData中增加次數(shù)統(tǒng)計(jì)即可
LockDatanewLockData=newLockData(currentThread,lockPath);
threadData.put(currentThread,newLockData);
returntrue;
}
//在阻塞返回時(shí)仍然獲取不到鎖难礼，這里上下文的處理隱含的意思為zookeeper通信異常
returnfalse;
}
代碼中增加了具體注釋，不做展開玫锋《贶裕看下zookeeper獲取鎖的具體實(shí)現(xiàn)：
StringattemptLock(longtime,TimeUnitunit,byte[]lockNodeBytes)throwsException
{
//參數(shù)初始化，此處省略
//...
//自旋獲取鎖
while(!isDone)
{
isDone=true;
try
{
//在鎖空間下創(chuàng)建臨時(shí)且有序的子節(jié)點(diǎn)
ourPath=driver.createsTheLock(client,path,localLockNodeBytes);
//判斷是否獲得鎖（子節(jié)點(diǎn)序號(hào)最芯按肌）臀稚，獲得鎖則直接返回，否則阻塞等待前一個(gè)子節(jié)點(diǎn)刪除通知
hasTheLock=internalLockLoop(startMillis,millisToWait,ourPath);
}
catch(KeeperException.NoNodeExceptione)
{
//對(duì)于NoNodeException三痰，代碼中確保了只有發(fā)生session過(guò)期才會(huì)在這里拋出NoNodeException吧寺，因此這里根據(jù)重試策略進(jìn)行重試
if(client.getZookeeperClient().getRetryPolicy().allowRetry(retryCount++,System.currentTimeMillis()-startMillis,RetryLoop.getDefaultRetrySleeper()))
{
isDone=false;
}
else
{
throwe;
}
}
}
//如果獲得鎖則返回該子節(jié)點(diǎn)的路徑
if(hasTheLock)
{
returnourPath;
}
returnnull;
}
上面代碼中主要有兩步操作：
driver.createsTheLock：創(chuàng)建臨時(shí)且有序的子節(jié)點(diǎn)，里面實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單不做展開散劫，主要關(guān)注幾種節(jié)點(diǎn)的模式：1）PERSISTENT（永久）稚机；2）PERSISTENT_SEQUENTIAL（永久且有序）；3）EPHEMERAL（臨時(shí)）获搏；4）EPHEMERAL_SEQUENTIAL（臨時(shí)且有序）赖条。
internalLockLoop：阻塞等待直到獲得鎖。
看下internalLockLoop是怎么判斷鎖以及阻塞等待的，這里刪除了一些無(wú)關(guān)代碼纬乍，只保留主流程：
//自旋直至獲得鎖
while((client.getState()==CuratorFrameworkState.STARTED)&&!haveTheLock)
{
//獲取所有的子節(jié)點(diǎn)列表碱茁，并且按序號(hào)從小到大排序
Listchildren=getSortedChildren();
//根據(jù)序號(hào)判斷當(dāng)前子節(jié)點(diǎn)是否為最小子節(jié)點(diǎn)
StringsequenceNodeName=ourPath.substring(basePath.length()+1);// +1 to include the slash
PredicateResultspredicateResults=driver.getsTheLock(client,children,sequenceNodeName,maxLeases);
if(predicateResults.getsTheLock())
{
//如果為最小子節(jié)點(diǎn)則認(rèn)為獲得鎖
haveTheLock=true;
}
else
{
//否則獲取前一個(gè)子節(jié)點(diǎn)
StringpreviousSequencePath=basePath+"/"+predicateResults.getPathToWatch();
//這里使用對(duì)象監(jiān)視器做線程同步，當(dāng)獲取不到鎖時(shí)監(jiān)聽前一個(gè)子節(jié)點(diǎn)刪除消息并且進(jìn)行wait()仿贬，當(dāng)前一個(gè)子節(jié)點(diǎn)刪除（也就是鎖釋放）時(shí)纽竣，回調(diào)會(huì)通過(guò)notifyAll喚醒此線程，此線程繼續(xù)自旋判斷是否獲得鎖
synchronized(this)
{
try
{
//這里使用getData()接口而不是checkExists()是因?yàn)榧肜幔绻耙粋€(gè)子節(jié)點(diǎn)已經(jīng)被刪除了那么會(huì)拋出異常而且不會(huì)設(shè)置事件監(jiān)聽器蜓氨，而checkExists雖然也可以獲取到節(jié)點(diǎn)是否存在的信息但是同時(shí)設(shè)置了監(jiān)聽器，這個(gè)監(jiān)聽器其實(shí)永遠(yuǎn)不會(huì)觸發(fā)队伟，對(duì)于zookeeper來(lái)說(shuō)屬于資源泄露
client.getData().usingWatcher(watcher).forPath(previousSequencePath);
//如果設(shè)置了阻塞等待的時(shí)間
if(millisToWait!=null)
{
millisToWait-=(System.currentTimeMillis()-startMillis);
startMillis=System.currentTimeMillis();
if(millisToWait<=0)
{
doDelete=true;// 等待時(shí)間到達(dá)穴吹，刪除對(duì)應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)
break;
}
//等待相應(yīng)的時(shí)間
wait(millisToWait);
}
else
{
//永遠(yuǎn)等待
wait();
}
}
catch(KeeperException.NoNodeExceptione)
{
//上面使用getData來(lái)設(shè)置監(jiān)聽器時(shí)，如果前一個(gè)子節(jié)點(diǎn)已經(jīng)被刪除那么會(huì)拋出NoNodeException嗜侮，只需要自旋一次即可港令，無(wú)需額外處理
}
}
}
}
具體邏輯見注釋，不再贅述棘钞。代碼中設(shè)置的事件監(jiān)聽器缠借，在事件發(fā)生回調(diào)時(shí)只是簡(jiǎn)單的notifyAll喚醒當(dāng)前線程以重新自旋判斷，比較簡(jiǎn)單不再展開宜猜。
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總結(jié)：
以上就是基于Zookeeper的分布式鎖內(nèi)容，在我的下一篇文章里憨奸，我會(huì)向大家闡述基于Redis的分布式鎖革屠，有興趣的朋友可以點(diǎn)贊關(guān)注一下，實(shí)時(shí)獲取最新的資料排宰。
