ZooKeeper实现分布式锁实现方案

ZooKeeper实现分布式锁的实现方案

zookeeper客户端选型

• 原生zookeeper客户端，有watcher一次性、无超时重连机制等一系列问题
• ZkClient，解决了原生客户端一些问题，一些存量老系统中还在使用
• curator，提供了各种应用场景（封装了分布式锁，计数器等），新项目首选

分布式锁使用场景

在单体项目中jvm中的锁即可完成需要，但是微服务、分布式环境下，同一个服务可能部署在多台服务器上，多个jvm之间无法通过常用的jvm锁来完成同步操作，需要借用分布式锁来完成上锁、释放锁。例如在订单服务中，我们需要根据日期来生成订单号流水，就有可能产生相同的时间日期，从而出现重复订单号。

zookeeper分布式锁实现原理

• zookeeper中规定，在同一时刻，不能有多个客户端创建同一个节点，我们可以利用这个特性实现分布式锁。zookeeper临时节点只在session生命周期存在，session一结束会自动销毁。
• watcher机制，在代表锁资源的节点被删除，即可以触发watcher解除阻塞重新去获取锁，这也是zookeeper分布式锁较其他分布式锁方案的一大优势。

1、基于临时节点方案

第一种方案实现较为简单，逻辑就是谁创建成功该节点，谁就持有锁，创建失败的自己进行阻塞，A线程先持有锁，B线程获取失败就会阻塞，同时对/lockPath设置监听，A线程执行完操作后删除节点，触发监听器，B线程此时解除阻塞，重新去获取锁。

我们模仿原生jdk的lock接口设计，采用模板方法设计模式来编写分布式锁，这样的好处是扩展性强，我们可以快速切换到redis分布式锁、数据库分布式锁等实现方式。

创建Lock接口：

public interface Lock {
     
    /**
     * 获取锁
     */
    void getLock() throws Exception;
    /**
     * 释放锁
     */
    void unlock() throws Exception;
}

AbstractTemplateLock抽象类:

public abstract class AbstractTemplateLock implements Lock {
     
    @Override
    public void getLock() {
     
        if (tryLock()) {
     
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取锁成功");
        } else {
     
            //等待
            waitLock();//事件监听 如果节点被删除则可以重新获取
            //重新获取
            getLock();
        }
    }
    protected abstract void waitLock();
    protected abstract boolean tryLock();
    protected abstract void releaseLock();
    @Override
    public void unlock() {
     
        releaseLock();
    }
}

zookeeper分布式锁逻辑：

@Slf4j
public class ZkTemplateLock extends AbstractTemplateLock {
     
    private static final String zkServers = "127.0.0.1:2181";
    private static final int sessionTimeout = 8000;
    private static final int connectionTimeout = 5000;
    private static final String lockPath = "/lockPath";
    private ZkClient client;

    public ZkTemplateLock() {
     
        client = new ZkClient(zkServers, sessionTimeout, connectionTimeout);
        log.info("zk client 连接成功:{}",zkServers);
    }
    @Override
    protected void waitLock() {
     
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
        IZkDataListener listener = new IZkDataListener() {
     
            @Override
            public void handleDataDeleted(String dataPath) throws Exception {
     
                System.out.println("监听到节点被删除");
                latch.countDown();
            }
            @Override
            public void handleDataChange(String dataPath, Object data) throws Exception {
     }
        };
        //完成 watcher 注册
        client.subscribeDataChanges(lockPath, listener);
        //阻塞自己
        if (client.exists(lockPath)) {
     
            try {
     
                latch.await();
            } catch (InterruptedException e) {
     
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //取消watcher注册
        client.unsubscribeDataChanges(lockPath, listener);
    }
    @Override
    protected boolean tryLock() {
     
        try {
     
            client.createEphemeral(lockPath);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取到锁");
        } catch (Exception e) {
     
            log.error("创建失败");
            return false;
        }
        return true;
    }
    @Override
    public void releaseLock() {
     
       client.delete(this.lockPath);
    }
}

缺点：

每次去竞争锁，都只会有一个线程拿到锁，当线程数庞大时会发生“惊群”现象，zookeeper节点可能会运行缓慢甚至宕机。这是因为其他线程没获取到锁时都会监听/lockPath节点，当A线程释放完毕，海量的线程都同时停止阻塞，去争抢锁，这种操作十分耗费资源，且性能大打折扣。

2、基于临时顺序节点方案

临时顺序节点与临时节点不同的是产生的节点是有序的，我们可以利用这一特点，只让当前线程监听上一序号的线程，每次获取锁的时候判断自己的序号是否为最小，最小即获取到锁，执行完毕就删除当前节点继续判断谁为最小序号的节点。

临时顺序节点操作源码：

@Slf4j
public class ZkSequenTemplateLock extends AbstractTemplateLock {
     
    private static final String zkServers = "127.0.0.1:2181";
    private static final int sessionTimeout = 8000;
    private static final int connectionTimeout = 5000;
    private static final String lockPath = "/lockPath";
    private String beforePath;
    private String currentPath;
    private ZkClient client;

    public ZkSequenTemplateLock() {
     
        client = new ZkClient(zkServers);
        if (!client.exists(lockPath)) {
     
            client.createPersistent(lockPath);

        }
        log.info("zk client 连接成功:{}",zkServers);

    }

    @Override
    protected void waitLock() {
     
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
        IZkDataListener listener = new IZkDataListener() {
     
            @Override
            public void handleDataDeleted(String dataPath) throws Exception {
     
                System.out.println("监听到节点被删除");
                latch.countDown();
            }
            @Override
            public void handleDataChange(String dataPath, Object data) throws Exception {
     }
        };
        //给排在前面的节点增加数据删除的watcher，本质是启动另一个线程去监听上一个节点
        client.subscribeDataChanges(beforePath, listener);
        //阻塞自己
        if (client.exists(beforePath)) {
     
            try {
     
                System.out.println("阻塞"+currentPath);
                latch.await();
            } catch (InterruptedException e) {
     
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //取消watcher注册
        client.unsubscribeDataChanges(beforePath, listener);
    }
    @Override
    protected boolean tryLock() {
     
        if (currentPath == null) {
     
            //创建一个临时顺序节点
            currentPath = client.createEphemeralSequential(lockPath + "/", "lock-data");
            System.out.println("current:" + currentPath);
        }
        //获得所有的子节点并排序。临时节点名称为自增长的字符串
        List<String> childrens = client.getChildren(lockPath);
        //排序list，按自然顺序排序
        Collections.sort(childrens);
        if (currentPath.equals(lockPath + "/" + childrens.get(0))) {
     
            return true;
        } else {
     
            //如果当前节点不是排第一，则获取前面一个节点信息，赋值给beforePath
            int curIndex = childrens.indexOf(currentPath.substring(lockPath.length() + 1));
            beforePath = lockPath + "/" + childrens.get(curIndex - 1);
        }
        System.out.println("beforePath"+beforePath);
        return false;
    }
    @Override
    public void releaseLock() {
     
        System.out.println("delete:" + currentPath);
        client.delete(currentPath);
    }
}

Curator分布式锁工具

curator提供了以下种类的锁：

• 共享可重入锁（Shared Reentrant Lock）：全局同步锁，同一时间不会有两个客户端持有一个锁
• 共享锁：与共享可重入锁类似，但是不可重入（有时候会因为这个原因造成死锁）
• 共享可重入读写锁
• 共享信号量
• Multi Shared Lock：管理多种锁的容器实体
  我们采用第一种Shared Reentrant Lock中的InterProcessMutex来完成上锁、释放锁的的操作

public class ZkLockWithCuratorTemplate implements Lock {
     
    // zk host地址
    private String host = "localhost";
    // zk自增存储node
    private String lockPath = "/curatorLock";
    // 重试休眠时间
    private static final int SLEEP_TIME_MS = 1000;
    // 最大重试1000次
    private static final int MAX_RETRIES = 1000;
    //会话超时时间
    private static final int SESSION_TIMEOUT = 30 * 1000;
    //连接超时时间
    private static final int CONNECTION_TIMEOUT = 3 * 1000;
        //curator核心操作类
    private CuratorFramework curatorFramework;

    InterProcessMutex lock;

   public ZkLockWithCuratorTemplate() {
     
       curatorFramework = CuratorFrameworkFactory.builder()
               .connectString(host)
               .connectionTimeoutMs(CONNECTION_TIMEOUT)
               .sessionTimeoutMs(SESSION_TIMEOUT)
               .retryPolicy(new ExponentialBackoffRetry(SLEEP_TIME_MS, MAX_RETRIES))
               .build();
       curatorFramework.start();
       lock = new InterProcessMutex (curatorFramework, lockPath);
    }
    @Override
    public void getLock() throws Exception {
     
        //5s后超时释放锁
         lock.acquire(5, TimeUnit.SECONDS);
    }
    @Override
    public void unlock() throws Exception {
     
        lock.release();
    }
}

源码以及测试类地址：https://github.com/Motianshi/distribute-tool
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