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ZK(ZooKeeper)分布式锁实现
发布日期:2021-10-27 16:42    点击次数:190

准备

本文会使用到 三台 独立服务器,可以自行提前搭建好。

不知道如何搭建的,可以看我之前 ZooKeeper集群 搭建:Zookeeper 集群部署的那些事儿

关于ZooKeeper 一些基础命令可以看这篇:Zookeeper入门看这篇就够了

前言

在平时我们对锁的使用,在针对单个服务,我们可以用 Java 自带的一些锁来实现,资源的顺序访问,但是随着业务的发展,现在基本上公司的服务都是多个,单纯的 Lock或者Synchronize 只能解决单个JVM线程的问题,那么针对于单个服务的 Java 的锁是无法满足我们业务的需要的,为了解决多个服务跨服务访问共享资源,于是就有了分布锁,分布式锁产生的原因就是集群。

正文

实现分布式锁的方式有哪些呢?

分布式锁的实现方式主要以(ZooKeeper、Reids、Mysql)这三种为主

今天我们主要讲解的是使用 ZooKeeper来实现分布式锁,ZooKeeper的应用场景主要包含这几个方面:

服务注册与订阅(共用节点) 分布式通知(监听ZNode) 服务命令(ZNode特性) 数据订阅、发布(Watcher) 分布式锁(临时节点)

ZooKeeper实现分布式锁,主要是得益于ZooKeeper 保证了数据的强一致性,锁的服务可以分为两大类:

保持独占

所有试图来获取当前锁的客户端,最终有且只有一个能够成功得到当前锁的钥匙,通常我们会把 ZooKeeper 上的节点(ZNode)看做一把锁,通过 create临时节点的方式来实现,当多个客户端都去创建一把锁的时候,那么只有成功创建了那个客户端才能拥有这把锁

控制时序

所有试图获取锁的客户端,都是被顺序执行,只是会有一个序号(zxid),我们会有一个节点,例如:/testLock,所有临时节点都在这个下面去创建,ZK的父节点(/testLock) 维持了一个序号,这个是ZK自带的属性,他保证了子节点创建的时序性,从而也形成了每个客户端的一个 全局时序

ZK锁机制

在实现ZooKeeper 分布式锁之前我们有必要了解一下,关于ZooKeeper分布式锁机制的实现流程和原理,不然各位宝贝,出去面试的时候怎么和面试官侃侃而谈~

临时顺序节点

基于ZooKeeper的临时顺序节点 ,ZooKeeper比较适合来实现分布式锁:

顺序发号器: ZooKeeper的每一个节点,都是自带顺序生成器:在每个节点下面创建临时节点,新的子节点后面,会添加一个次序编号,这个生成的编号,会在上一次的编号进行 +1 操作 有序递增: ZooKeeper节点有序递增,可以保证锁的公平性,我们只需要在一个持久父节点下,创建对应的临时顺序节点,每个线程在尝试占用锁之前,会调用watch,判断自己当前的序号是不是在当前父节点最小,如果是,那么获取锁 Znode监听: 每个线程在抢占所之前,会创建属于当前线程的ZNode节点,在释放锁的时候,会删除创建的ZNode,当我们创建的序号不是最小的时候,会等待watch通知,也就是上一个ZNode的状态通知,当前一个ZNode删除的时候,会触发回调机制,告诉下一个ZNode,你可以获取锁开始工作了 临时节点自动删除: ZooKeeper还有一个好处,当我们客户端断开连接之后,我们出创建的临时节点会进行自动删除操作,所以我们在使用分布式锁的时候,一般都是会去创建临时节点,这样可以避免因为网络异常等原因,造成的死锁。 羊群效应: ZooKeeper节点的顺序访问性,后面监听前面的方式,可以有效的避免 羊群效应,什么是羊群效应:当某一个节点挂掉了,所有的节点都要去监听,然后做出回应,这样会给服务器带来比较大压力,如果有了临时顺序节点,当一个节点挂掉了,只有它后面的那一个节点才做出反应。

我们现在看一下下面一张图:

在上图中, ZooKeeper里面有一把锁节点 testLock,这个锁就是 ZooKeeper的一个节点,当两个客户端来获取这把锁的时候,会对 ZooKeeper进行加锁的请求,也就是我们所说的 临时顺序节点。

当我们在 /testLock目录下创建了一个顺序临时节点后,ZK会自动对这个临时节点维护 一个节点序号,并且这个节点是递增的,比如我们 clientA 创建了一个临时顺序节点,ZK内部会生成一个序号:/lock0000000001,那么 clientB 也生成了一个临时顺序节点,ZK会生成一个序号为 /lock0000000002,在这里数字都是依次递增的,从1开始递增,ZK内部会维护这个顺序。

下图所示:

这时候,ClientA会进行监听判断,在父节点下,我是不是最小的,如果是的话,那么俺就可以加锁了,因为我是最小的,其他的都比我大。我自己可以进行加锁,你已经是一个成熟的临时节点了,要学会自己加锁。咳,那么ZK是怎么进行判断的呢?宝贝,您往下看:

这个是 cleintA已经加锁完成了,这个时候 clientB也要过来加锁,那么他也要在 /testLock,创建一个属于自己的临时节点,那么这个时候他的序号就会变成 /lock0000000002,如下图所示:

这个时候就会出现我们前面所讲的,clientB 在加锁的时候会判断,自己是不是最小的,一看在当前父节点下不是最小的,啊~我还挺大的,还有比我小的!!!

加锁失败呀,咳咳,这个时候呢,clientB 就会去偷窥clientA,气氛逐渐暧昧起来,啊不是,是按照顺序去监听前一个节点(clientA),是否完成工作了,如果完成了,clientB才可以进行加锁工作,宝贝,你往下看图片:

clientA 加锁成功后,会进行自己的业务处理,当 clientA 处理完工作后,说我完事了,下一个,那么 clientA 是怎么完事的呢,他多长时间?不是,具体流程是怎样的?小农你不对劲,说什么呢!!!真羞涩

上面我们不是说了,当 clientB 加锁失败后,会给前一个节点(clientA)加上一个监听,当clientA被删除以后,就表示有人释放了锁,这个时候就会通知 clientB重新去获取锁。

这个时候clientB重新获取锁的时候,发现自己就是当前父节点下面最小的那个,于是clientB就开始加锁,开始工作等一系列操作,当clientB 完事以后,释放锁,也说了一句,下一个。

如下图所示:

当然除了 clientA、clientB还有C\D\E等,这字母看着好奇怪又好熟悉,原理都是一样的,都是最小节点进行解锁,如果不是,监听前一个节点是否释放,如果释放了,再次尝试加锁。如果前一节节点释放了,自己就是最小了,就排到前面去了,有点类似于 银行取号 的操作。

代码实现

使用ZooKeeper 创建临时顺序节点来实现分布式锁,大体的流程就是 先创建一个持久父节点,在当前节点下,创建临时顺序节点,找出最小的序列号,获取分布式锁,程序业务完成之后释放锁,通知下一个节点进行操作,使用的是watch来监控节点的变化,然后依次下一个最小序列节点进行操作。

首先我们需要创建一个持久父类节点:我这里是 /mxn

WatchCallBack

import org.apache.zookeeper.*; import org.apache.zookeeper.data.Stat;  import java.util.Collections; import java.util.List; import java.util.concurrent.CountDownLatch;   /**  * @program: mxnzookeeper  * @ClassName WatchCallBack  * @description:  * @author: 微信搜索:牧小农  * @create: 2021-10-23 10:48  * @Version 1.0  **/ public class WatchCallBack  implements Watcher, AsyncCallback.StringCallback ,AsyncCallback.Children2Callback ,AsyncCallback.StatCallback {      ZooKeeper zk ;     String threadName;     CountDownLatch cc = new CountDownLatch(1);     String pathName;      public String getPathName() {         return pathName;     }      public void setPathName(String pathName) {         this.pathName = pathName;     }      public String getThreadName() {         return threadName;     }      public void setThreadName(String threadName) {         this.threadName = threadName;     }      public ZooKeeper getZk() {         return zk;     }      public void setZk(ZooKeeper zk) {         this.zk = zk;     }      /** @Author 牧小农      * @Description //TODO 尝试加锁方法      * @Date 16:14 2021/10/24      * @Param       * @return       **/     public void tryLock(){         try {              System.out.println(threadName + " 开始创建。。。。");             //创建一个顺序临时节点             zk.create("/lock",threadName.getBytes(), ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL,this,"abc");             //阻塞当前,监听前一个节点是否释放锁             cc.await();         } catch (InterruptedException e) {             e.printStackTrace();         }     }      /** @Author 牧小农      * @Description //TODO 解锁方法      * @Date 16:14 2021/10/24      * @Param       * @return       **/     public void unLock(){         try {             //释放锁,删除临时节点             zk.delete(pathName,-1);             //结束工作             System.out.println(threadName + "         结束工作了....");         } catch (InterruptedException e) {             e.printStackTrace();         } catch (KeeperException e) {             e.printStackTrace();         }     }       @Override     public void process(WatchedEvent event) {          //如果第一个节点释放了锁,那么第二个就会收到回调         //告诉它前一个节点释放了,你可以开始尝试获取锁         switch (event.getType()) {             case None:                 break;             case NodeCreated:                 break;             case NodeDeleted:                 //当前节点重新获取锁                 zk.getChildren("/",false,this ,"sdf");                 break;             case NodeDataChanged:                 break;             case NodeChildrenChanged:                 break;         }      }      @Override     public void processResult(int rc, String path, Object ctx, String name) {         if(name != null ){             System.out.println(threadName  +" 线程创建了一个节点为 : " +  name );             pathName =  name ;             //监听前一个节点             zk.getChildren("/",false,this ,"sdf");         }      }      //getChildren  call back     @Override     public void processResult(int rc, String path, Object ctx, List<String> children, Stat stat) {          //节点按照编号,升序排列         Collections.sort(children);         //对节点进行截取例如  /lock0000000022 截取后就是  lock0000000022         int i = children.indexOf(pathName.substring(1));           //是不是第一个,也就是说是不是最小的         if(i == 0){             //是第一个             System.out.println(threadName +" 现在我是最小的....");             try {                 zk.setData("/",threadName.getBytes(),-1);                 cc.countDown();              } catch (KeeperException e) {                 e.printStackTrace();             } catch (InterruptedException e) {                 e.printStackTrace();             }         }else{             //不是第一个             //监听前一个节点 看它是不是完成了工作进行释放锁了             zk.exists("/"+children.get(i-1),this,this,"sdf");         }      }      @Override     public void processResult(int rc, String path, Object ctx, Stat stat) {         //判断是否失败exists     } } 
TestLock
import com.mxn.zookeeper.config.ZKUtils; import org.apache.zookeeper.ZooKeeper; import org.junit.After; import org.junit.Before; import org.junit.Test;   /**  * @program: mxnzookeeper  * @ClassName TestLock  * @description:  * @author: 微信搜索:牧小农  * @create: 2021-10-23 10:45  * @Version 1.0  **/ public class TestLock {       ZooKeeper zk ;      @Before     public void conn (){         zk  = ZKUtils.getZK();     }      @After     public void close (){         try {             zk.close();         } catch (InterruptedException e) {             e.printStackTrace();         }     }      @Test     public void lock(){          //创建十个线程         for (int i = 0; i < 10; i++) {             new Thread(){                 @Override                 public void run() {                     WatchCallBack watchCallBack = new WatchCallBack();                     watchCallBack.setZk(zk);                     String threadName = Thread.currentThread().getName();                     watchCallBack.setThreadName(threadName);                     //线程进行抢锁操作                     watchCallBack.tryLock();                     try {                         //进行业务逻辑处理                         System.out.println(threadName+"         开始处理业务逻辑了...");                         Thread.sleep(200);                     }catch (Exception e){                         e.printStackTrace();                     }                     //释放锁                     watchCallBack.unLock();                   }             }.start();         }           while(true){          }      }  } 
运行结果:
Thread-1 线程创建了一个节点为 : /lock0000000112 Thread-5 线程创建了一个节点为 : /lock0000000113 Thread-2 线程创建了一个节点为 : /lock0000000114 Thread-6 线程创建了一个节点为 : /lock0000000115 Thread-9 线程创建了一个节点为 : /lock0000000116 Thread-4 线程创建了一个节点为 : /lock0000000117 Thread-7 线程创建了一个节点为 : /lock0000000118 Thread-3 线程创建了一个节点为 : /lock0000000119 Thread-8 线程创建了一个节点为 : /lock0000000120 Thread-0 线程创建了一个节点为 : /lock0000000121 Thread-1 现在我是最小的.... Thread-1         开始处理业务逻辑了... Thread-1         结束工作了.... Thread-5 现在我是最小的.... Thread-5         开始处理业务逻辑了... Thread-5         结束工作了.... Thread-2 现在我是最小的.... Thread-2         开始处理业务逻辑了... Thread-2         结束工作了.... Thread-6 现在我是最小的.... Thread-6         开始处理业务逻辑了... Thread-6         结束工作了.... Thread-9 现在我是最小的.... Thread-9         开始处理业务逻辑了... Thread-9         结束工作了.... Thread-4 现在我是最小的.... Thread-4         开始处理业务逻辑了... Thread-4         结束工作了.... Thread-7 现在我是最小的.... Thread-7         开始处理业务逻辑了... Thread-7         结束工作了.... Thread-3 现在我是最小的.... Thread-3         开始处理业务逻辑了... Thread-3         结束工作了.... Thread-8 现在我是最小的.... Thread-8         开始处理业务逻辑了... Thread-8         结束工作了.... Thread-0 现在我是最小的.... Thread-0         开始处理业务逻辑了... Thread-0         结束工作了.... 
总结

ZK分布式锁,能够有效的解决分布式、不可重入的问题,在上面的案例中我, 没有实现可重入锁,但是实现起来也不麻烦,只需要带上线程信息等唯一标识,判断一下就可以了

ZK实现分布式锁具有天然的优势,临时顺序节点,可以有效的避免死锁问题,让客户端断开,那么就会删除当前临时节点,让下一个节点进行工作。

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