Zookeeper—分布式锁实现

Posted 2022-07-04 敲代码的小小酥

一、独占锁原理

独占锁是利用zk同一目录下不能创建多个相同名称的节点这个特性，来实现分布式锁的功能。

竞争锁的分布式系统，都在zk根目录下创建一个名为lock的节点。创建节点成功的系统，说明抢到了这把锁，没有创建成功的系统，说明这个节点已经被其他系统创建了，没有抢到锁，那么就监听这个节点的删除事件，来等待锁的释放。
当抢到锁的系统执行完业务逻辑后，删除这个lock节点。zk会向监听这个lock节点的所有客户端发送通知，告知lock节点被删除了。接到通知的各系统再次去创建lock节点。创建成功的，证明抢到了这把锁。然后循环上面的过程，以此实现分布式锁的功能。

弊端:
独占锁的弊端就是，如果抢锁的分布式系统很多的话，zk向各系统发送通知时，是走网络通信的，很多的客户端需要通知，就是大量的网络传输，很影响性能。如果分布式子系统少的话，这种方式可以考虑。

二、非独占锁原理

针对上述独占锁的设计缺陷，又提出了非独占锁的实现思路。非独占锁利用zk的有序节点的特性，对分布式系统进行排序，然后按照排序，依次给分布式系统抢到锁，执行业务。

争抢锁的分布式系统在lock节点下创建临时有序节点。各系统创建了节点后，可以获取到自己创建的节点编号。然后获取lock节点下的所有子目录，看自己创建的编号是否为最小。如果是最小，就争抢到了锁，执行锁住的业务逻辑。如果不是最小，就监听前一个编号的节点。
当抢到锁的系统执行完业务代码后，删除这个节点，zk通知监听该节点的客户端，去执行锁住的代码。依次类推，完成分布式锁功能。

可以看到，这种实现方式，zk每次只通知一个客户端去争抢锁，解决了独占锁设计中的缺陷问题。

三、代码实现

zk实现分布式锁的代码在zk的java客户端中已经实现好了。我们在使用时直接调用客户端提供的方法实现分布式锁即可。这里为了锻炼一下自己的代码水平，手动用代码实现一下上述的独占锁和非独占锁的原理。
注:以下代码实现使用ZkClient客户端连接操作zk服务。

第一步:
通过读框架源码可知，优秀的框架，都是从定义接口规范开始的，这里我们也要建立这种思想。先定义规范，再考虑实现。

首先，定义接口规范Lock接口:

public interface Lock 
    public void lock();
    public void unlock();

第二步:
然后，实现上述接口。先捋清楚上述接口方法的逻辑代码。

public void lock()
//尝试获取锁
boolean getLock=tryLock();
//如果获取到锁，执行业务代码
if(getLock)//抢到锁，执行业务代码
else//没抢到锁，等待锁释放，重新抢锁
waitLock();
lock();

上述伪代码是利用递归的方式，一直抢锁，直到抢锁成功。为了实现lock加锁抢锁功能，我们需要实现获取锁和锁等待的逻辑。而通过独占锁和非独占锁的原理可知，两种方式获取锁和抢锁的实现是不一样的，因此，我们先封装出一个抽象类，来实现lock方法，而对于lock内部的获取锁和锁等待的方法，我们用模板设计模式，让不同的子类去实现。之所以手写代码实现zk的分布式锁，就是为了体会这种编码思想和规范。

public abstract class ZkAbstractLock implements Lock 

    private static String connectStr = "ip:port";

    public static String path = "/lock";

    protected ZkClient client = new ZkClient(connectStr);

    /**
        lock方式是要去获取锁的方法
        如果成功，那么代码往下走，执行创建订单的业务逻辑

        如果失败,lock需要等待
        1、等待到了前面那个获取锁的客户端释放锁以后
        2、再去重新获取锁
    */
    @Override
    public void lock() 
        //1、尝试去获取锁
        if(tryLock()) 
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--->获取锁成功！");
         else 
            //在这里等待
            waitforlock();
            lock();
        
    

    //钩子方法
    protected abstract boolean tryLock();
    //钩子方法
    protected abstract void waitforlock();
    //创建的临时节点，关闭session，节点自动删除
    @Override
    public void unlock() 
        client.close();
    

第三步:
实现独占锁和非独占锁的获取锁和锁等待的代码实现。
独占锁:

public class ZkLockImpl extends ZkAbstractLock 

    private CountDownLatch cdl = null;

    //尝试获取锁
    @Override
    protected boolean tryLock() 
        try 
            client.createEphemeral(path);
            return true;
         catch (ZkException e) 
            return false;
        
    

    //等待获取锁
    //等前面那个获取锁成功的客户端释放锁

    //没有获取到锁的客户端都会走到这里
    //1、没有获取到锁的要注册对/lock节点的watcher
    //2、这个方法需要等待
    @Override
    protected void waitforlock() 
        IZkDataListener iZkDataListener = new IZkDataListener() 
            @Override
            public void handleDataChange(String dataPath, Object data) throws Exception 

            
            //一旦/lock节点被删除以后，就会触发这个方法
            @Override
            public void handleDataDeleted(String dataPath) throws Exception 
                //让等待的代码不再等待了
                if(cdl != null) 
                    cdl.countDown();
                
            
        ;
        //注册watcher
        client.subscribeDataChanges(path, iZkDataListener);

        if (client.exists(path)) 
            cdl = new CountDownLatch(1);
            try 
                cdl.await();
             catch (InterruptedException e) 
                e.printStackTrace();
            
        
        //取消该客户端的订阅关系
        client.unsubscribeDataChanges(path, iZkDataListener);
    

非独占锁:

public class ZkImproveLockImpl extends ZkAbstractLock 
    //记录当前客户端创建的临时节点
    private String currentPath;

    //记录上一个节点
    private String beforePath;

    private CountDownLatch cdl;

    public ZkImproveLockImpl() 
        if(!client.exists(path)) 
            client.createPersistent(path,"");
        
    

    @Override
    protected boolean tryLock() 
        if (currentPath == null || currentPath.length() <= 0) 
            // /lock/0000000001
            currentPath = client.createEphemeralSequential(path + "/", "");
        

        //拿到/lock下面的所有儿子节点
        List<String> children = client.getChildren(path);
        Collections.sort(children);
        //children.get(0) 就是最小的那个节点
        if (currentPath.equals(path + "/" + children.get(0))) 
            return true;
         else 
            //如果不是第一个，那么就必须找出当前节点的上一个节点
            //找到当前节点在所有子节点的索引
            int i = Collections.binarySearch(children, currentPath.substring(6));
            beforePath = path + "/" + children.get(i - 1);
        
        return false;
    

    @Override
    protected void waitforlock() 
        IZkDataListener iZkDataListener = new IZkDataListener() 
            @Override
            public void handleDataChange(String dataPath, Object data) throws Exception 

            
            //一旦/lock节点被删除以后，就会触发这个方法
            @Override
            public void handleDataDeleted(String dataPath) throws Exception 
                //让等待的代码不再等待了
                if (cdl != null) 
                    cdl.countDown();
                
            
        ;
        //每一个客户端就只需要注册对前一个节点的监听
        client.subscribeDataChanges(beforePath, iZkDataListener);

        if (client.exists(beforePath)) 
            cdl = new CountDownLatch(1);
            try 
                cdl.await();
             catch (InterruptedException e) 
                e.printStackTrace();
            
        
        client.unsubscribeDataChanges(beforePath, iZkDataListener);
    

四、ZK分布式锁与redis分布式锁比较

在前面讲redis实现分布式锁时，无论怎么优化,redis分布式锁都不能满足各种极端情况下锁的安全性。那么zk实现的分布式锁，能经得住各种极端情况的考验吗？
redis分布式锁的问题是锁过期产生的一系列问题。在zk中，没有锁过期的概念，因此也避免了锁过期带来的一些问题。
但是zk分布式锁的问题是，靠临时节点来持有锁，删除临时节点代表释放锁。客户端和zk服务靠心跳保持的连接。假如网络异常，无法收到心跳，那么zk服务就认为客户端断开了连接，临时节点会被删除。如果此时锁住的代码还没执行完，就释放了锁，也会带来问题。
同样的，GC也会影响心跳的发送频率。因此也会影响分布式锁的安全性。

由此可知，在分布式环境下，没有可以做到百分之百安全的分布式锁。

综上，选择哪个作为分布式锁，就是仁者见仁，智者见智了。相比zk而已，redis的运维成本相对低一些。