【大数据】Zookeeper 数据写入与分布式锁

1.数据是怎么写入的

无论是 Zookeeper 自带的客户端 zkCli.sh，还是使用 Python（或者其它语言）实现的客户端，本质上都是连接至集群，然后往里面读写数据。那么问题来了，集群在收到来自客户端的写请求时，是怎么写入数据的呢？

另外客户端在访问集群的时候，本质上是访问集群内的某一个节点，而根据访问的节点是领导者还是追随者，写入数据的过程也会有所不同。

先来看看当 访问的节点是领导者 的情况：

这里面有一个关键的地方，就是 Leader 不会等到所有的 Follower 都写完，只要有一半的 Follower 写完，就会告知客户端。还是半数机制，一半的 Follower 加上 Leader 正好刚过半数。而这么做的原因也很简单，就是为了快速响应。

再来看另一种情况，如果客户端 访问的节点是追随者，情况会怎么样呢？其实很简单，由于追随者没有写权限，那么会先将写请求转发给领导者，然后接下来的步骤和上面类似，只是最后一步不同。

当 Leader 发现有半数的 Follower 写完，就认为写数据成功，于是返回 ack。但这个 ack 不会返回给客户端，因为客户端访问的不是领导者，最终领导者会将 ack 返回给客户端访问的追随者，再由这个追随者将 ack 返回给客户端，告知写请求已执行完毕。

2.基于 Zookeeper 实现分布式锁

关于分布式锁，我之前介绍过如何基于 Redis 实现分布式锁，里面对分布式锁做了比较详细的解析。下面来聊一聊如何基于 Zookeeper 实现分布式锁。

先来说一下原理，当客户端需要操作共享资源时，需要先往 Zookeeper 集群中创建一个临时顺序节点。然后查看对应的编号，如果没有比它小的，说明最先创建，我们就认为客户端拿到了分布式锁。

如果客户端发现节点的编号不是最小的，说明已经有人先创建了，也就是锁已经被别的客户端拿走了。那么该客户端会对前一个节点进行监听，等待释放。

所以从概念上还是很好理解的，然后我们来编程实现一下。

from typing import List
import queue
from kazoo.client import KazooClient

class DistributedLock:

    def __init__(self, hosts: List[str]):
        """
        :param hosts: 'ip1:port1,...'
        """
        self.client = KazooClient(",".join(hosts))
        self.client.start()
        # 要在 /lock 节点下面创建临时顺序节点
        # 所以先保证 /lock 节点存在
        if not self.client.exists("/lock"):
            self.client.create("/lock")

        # 要创建的临时顺序节点
        self.cur_node = None
        # 要监听的节点（也就是上一个节点）
        self.prev_node = None
        # 本地队列
        self.q = queue.Queue()

    def acquire(self):
        """
        获取锁
        :return:
        """
        self.cur_node = self.client.create(
            "/lock/seq-",
            # 临时顺序节点
            ephemeral=True,
            sequence=True
        )
        # create 方法会返回创建的节点名称
        # 需要判断编号是不是最小的
        # 因此要拿到所有的节点
        nodes = self.client.get_children("/lock")
        # nodes: ["seq-000..0", "seq-000...1"]
        nodes.sort()
        if len(nodes) == 1:
            return True
        elif "/lock/" + nodes[0] == self.cur_node:
            # 如果 nodes 里面的最小值和 node 相等
            # 说明该客户端创建的节点的编号最小
            # 于是我们就认为它拿到了分布式锁
            return True
        # 否则说明不是最小，因此要找到它的上一个节点
        # 也就是要监听的节点
        index = nodes.index(self.cur_node.split("/")[-1])
        self.prev_node = "/lock/" + nodes[index - 1]
        # 对上一个节点进行监听
        self.client.get(self.prev_node, watch=self.watch)
        # 这一步不是阻塞的，但程序必须要拿到锁之后才可以执行
        # 所以我们要显式地让程序阻塞在这里
        self.q.get()
        return True

    def release(self):
        """
        释放锁
        :return:
        """
        self.client.delete(self.cur_node)

    def watch(self, event):
        """
        监听函数，参数 event 是一个 namedtuple
        kazoo.protocol.states.WatchedEvent
        里面有三个字段：type、state、path

        监听节点的值被改变时，type 为 "CHANGED"
        监听节点被删除时，type 为 "DELETED"

        path 就是监听的节点本身

        state 表示客户端和服务端之间的连接状态
        建立连接时，状态为 LOST
        连接建立成功，状态为 CONNECTED
        如果在整个会话的生命周期里，伴随着网络闪断、服务端异常
        或者其他什么原因导致客户端和服务端连接断开，状态为 SUSPENDED
        与此同时，KazooClient 会不断尝试与服务端建立连接，直至超时
        如果连接建立成功了，那么状态会再次切换到 CONNECTED
        """
        if event.type == "DELETED" and \
            self.prev_node == event.path:
            # 往队列里面扔一个元素
            # 让下一个节点解除阻塞
            self.q.put(None)

# 测试函数
def test(lock, name):
    lock.acquire()
    print(f"{name}获得锁，其它人等着吧")
    print(f"{name}处理业务······")
    print(f"{name}处理完毕，释放锁")
    lock.release()

if __name__ == '__main__':
    import threading
    hosts = [
        "82.157.146.194:2181",  
        "121.37.165.252:2181",  
        "123.60.7.226:2181",    
    ]
    # 创建三把锁
    lock1 = DistributedLock(hosts)
    lock2 = DistributedLock(hosts)
    lock3 = DistributedLock(hosts)
    threading.Thread(
        target=test, args=(lock1, "客户端1")
    ).start()
    threading.Thread(
        target=test, args=(lock2, "客户端2")
    ).start()
    threading.Thread(
        target=test, args=(lock3, "客户端3")
    ).start()

"""
客户端1获得锁，其它人等着吧
客户端1处理业务······
客户端1处理完毕，释放锁
客户端3获得锁，其它人等着吧
客户端3处理业务······
客户端3处理完毕，释放锁
客户端2获得锁，其它人等着吧
客户端2处理业务······
客户端2处理完毕，释放锁
"""

实现起来不是很难，并且使用 Zookeeper 的好处就是，我们不需要担心死锁的问题。因为客户端宕掉之后，临时节点会自动删除，但缺点是性能没有 Redis 高。

另外值得一提的是，kazoo 已经帮我们实现好了分布式锁，开箱即用，我们就不需要再手动实现了。

# 创建客户端
client = KazooClient(",".join(hosts))
client.start()
# 此时需要自己手动给一个唯一标识
lock = client.Lock("/lock", "unique-identifier")
# 获取锁
lock.acquire()
# 处理业务逻辑
...
# 释放锁
lock.release()
# 或者也可以使用上下文管理器
with lock:
    ...

显然就优雅多了，借助于 kazoo 实现好的分布式锁，可以减轻我们的心智负担。此外 kazoo 还提供了 读锁 和 写锁：

• client.ReadLock
• client.WriteLock

我们一般使用 client.Lock 就行，可以自己测试一下。

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关于 Zookeeper 的基础内容就介绍到这里，但伴随着 Zookeeper 还有一系列的协议，比如 Paxos 协议、ZAB 协议、CAP 定理 等等，这些可谓是分布式系统的重中之重。我们后续来逐一介绍。