Java 基于 ZooKeeper 实现分布式锁需要注意什么？

在前一篇有关 Redis 分布式锁的文章中，我们讨论了几点有关分布式锁的要求：

操作原子性
可重入性
效率

为了满足上述条件，采用 本地锁 + Redis 锁 的方式解决了问题。不过在文章末尾提到，Redis
不保证强一致性，因此对一致性要求很高的场景会存在安全隐患。

本文将讨论使用满足 CP 要求的 ZooKeeper 来实现强一致性的分布式锁。

Zookeeper 分布式锁原理

结合 Redis 的分布式锁实现，我们能够想到最直接的 zk lock 实现方式，可能会是以 ZNode 来类比 redis 的 kv pair：创建一个 ZNode，通过判断其是否存在、以及其值是否与当前 client id 一致来尝试获取一个锁。

然而，结合 zk 的诸多优秀特性，实际上我们能更优雅的实现这一过程：

创建一个路径为 locknode/{guid}-lock- 的 znode，同时将之设置为 EPHEMERAL_SEQUENTIAL, 其中的 guid 是为了解决一种边缘 case*。因此，我们会创建形如 locknode/{guid}-lock-0000000012 的一个节点。
尝试获取 locknode 下的所有节点，对其进行排序，若刚刚创建的节点处在第一位，则获取锁成功，退出当前流程。
若不为第一位，则对整个序列中排在自己持有的路径前一位的路径添加一个 watcher，并检查该前一位节点是否存在
若前一位节点不存在，跳转至第二步，否则休眠等待。当被 watch 的路径发生变化时（通常是被删除），等待被唤醒并跳转至第二步。

可以看到，上述实现分布式锁的流程，用到了 zk 的两个特性：

sequence node
- 通过 zk 内部保证的序列来确保获取锁公平（回顾 Redis 的方案，每隔 100ms 重试，是一种抢占式的非公平策略）
- 每一次获取锁的尝试都会被如实的记录下来，易于观察整个获取锁的过程，也易于 debug
watcher
- watcher 避免了轮询，每个等待中的路径都只观察其前一位路径，确保锁释放时只会有一个等待者（而不是所有）被唤醒，避免了羊群效应（herd effect）。

注* guid 的特殊 case：对于EPHEMERAL_SEQUENTIAL节点的创建，假设节点创建成功，但 zk server 在返回创建结果之前 crash，那么在 client 重新连接至 zk 后，其 session 仍然有效，因此节点亦存在。

这时将出现诡异的一幕：某种情况下，该 client 以为自己没有获取到锁（实际上已经拿到了），这时他会再次创建一个 path，并休眠，而另一个 client 一直在等待第一位 path 被释放，但却永远也等不到（本来持有锁的 client 却休眠了）。

通过给 path 增加 guid 前缀的办法，当 client 检测到 create 非正常返回时，会启动 retry 流程：获取所有 children，若其中包含有 guid 的节点，则认为节点已经创建成功。

代码实现

lock()

@Override
public void lock() {
    boolean acquired = false;
    localLock.lock();
    try {
        // reentrant
        acquired = localLock.getHoldCount() > 1;
        if (acquired) {
            return;
        }

        acquire();
        acquired = true;
    } finally {
        if (!acquired) {
            localLock.unlock();
        }
    }
}

与Redis 分布式锁中实现类似，zk 分布式锁的 lock() 部分也采用了本地锁+分布式锁结合的方式：首先获取本地锁，之后尝试获取 zk 锁（即acquire()）。

这里对于可重入的处理比 Redis 的方案简单一些：
在 Redis 锁中，需要在 Redis 判断当前 client Id 是否与锁中保存的一致。而这里的方案，直接判断本地锁是否重入，若是则直接返回。

之所以能够简化，其原因是 ZooKeeper 锁并没有像 Redis 锁一样给锁加上了超时时间，再结合 ZooKeeper 强一致的特点，因此不会出现本地锁获取到而分布式锁被自动释放的情况。

接下来看看真正获取分布式锁的逻辑：

void acquire() {
    String lockPath = createLockPath();
    if (lockPath.equals(getCurrentFirstPath())) {
        return;
    }

    boolean needDelete = true;
    watcherLock.lock();
    try {
        do {
            Condition condition = watcherLock.newCondition();
            addWatcher(getPreviousPath(lockPath), new LockWatcher(condition));
            condition.await();
        } while ((!lockPath.equals(getCurrentFirstPath())));
        needDelete = false;
    } catch (InterruptedException e) {
        Thread.currentThread().interrupt();
    } catch (Exception e) {
        throw new ZkLockException(e);
    } finally {
        watcherLock.unlock();
        if (needDelete) {
            deletePath(lockPath);
        }
    }
}

如上所见，lock() 方法实现了前文中描述的加锁过程：先创建锁路径，然后获取目前排序第一位的锁路径，若与创建的路径相同则直接获取锁，否则获取到前一个路径，对其添加 watcher，并进入休眠，直到被唤醒后获得锁。这里采用了一个 watcherLock 来控制休眠与唤醒。唤醒机制写在 LockWatcher 中：

private class LockWatcher implements Watcher {
    private final Condition currentCondition;

    private LockWatcher(Condition currentCondition) {
        this.currentCondition = currentCondition;
    }

    @Override
    public void process(WatchedEvent event) {
        localLock.lock();
        try {
            currentCondition.signalAll();
        } finally {
            localLock.unlock();
        }
    }
}

通过实现 Watcher 来实现当被监听 path 有变动时释放 Condition 的等待状态

其他逻辑中包含的底层实现如下：

String createLockPath() {
    try {
        return client.create().withProtection().withMode(CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL).forPath(LOCK_PATH);
    } catch (Exception e) {
        throw new ZkLockException(e);
    }
}

private void deletePath(String lockPath) {
    try {
        client.delete().guaranteed().forPath(lockPath);
    } catch (Exception e) {
        // do nothing
    }
}

可以看到，底层实现中主要使用 Curator 来与 zk 进行交互，其中的 client 是 WatcherRemoveCuratorFramework。

实际上 Curator 本身提供了完整的 zk lock 实现，Spring Integration ZooKeeper 中的 LockRegistry 也直接包装了 Curator 的方案，本文以讨论原理为目的，实际使用中还是采用 Curator 更好。

String getCurrentFirstPath() {
    List allSortedPaths = getAllSortedPaths();
    if (allSortedPaths.isEmpty()) {
        throw new ZkLockException();
    }

    return allSortedPaths.get(0);
}

String getPreviousPath(String lockPath) {
    List allSortedPaths = getAllSortedPaths();
    int previousIndex = allSortedPaths.indexOf(lockPath) - 1;
    if (previousIndex < 0) {
        throw new ZkLockException();
    }

    return allSortedPaths.get(previousIndex);
}

private List getAllSortedPaths() {
    try {
        return client.getChildren()
                .forPath(BASE_LOCK_PATH)
                .stream()
                .sorted(Comparator.comparing(path -> path.split("-")[2]))
                .collect(Collectors.toList());
    } catch (Exception e) {
        throw new ZkLockException(e);
    }
}

以上为各种对所有锁路径的排序等操作。

unlock()

@Override
public void unlock() {
    if (!localLock.isHeldByCurrentThread()) {
        throw new IllegalStateException("You do not own the lock");
    }

    if (localLock.getHoldCount() > 1) {
        localLock.unlock();
        return;
    }

    try {
        client.delete().guaranteed().forPath(getCurrentFirstPath());
    } catch (Exception e) {
        throw new ZkLockException(e);
    } finally {
        localLock.unlock();
    }
}

unlock 的过程简单了很多，首先判断线程是否合法，之后判断是否是重入状态，最后直接删除相关节点即可。

在 Curator 的 Lock 实现中（commit f0a09db4423f06455ed93c20778c65aaf7e8b06e 之后的版本），release 锁之前，调用了client.removeWatchers();，经过代码分析，实际上对于 foreground 运行的 ZooKeeper 才删除 watcher，background 运行的不会删除。

总结

采用 ZooKeeper 实现的分布式锁，在实现原理上与 Redis 有一定的区别，它采用临时序列节点的方式实现公平的分布式锁，并通过 Watcher 机制，避免了释放锁时可能产生的羊群效应。

ZooKeeper 以其强一致性的特点，使得采用它实现的分布式锁安全可靠，不过性能相比 Redis 差一些。

实际使用中可以直接采用 Curator 提供的分布式锁方案，Curator Recipes 库包括了可重入、共享锁、信号量、栅栏等多种实现，方便可靠。

原创文章，作者 LENSHOOD，首发自：https://lenshood.github.io/2020/03/25/zk-distributed-lock/

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Zookeeper 分布式锁原理

代码实现

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