分布式锁

Posted 2020-07-16 菩提树下的杨过

　　目前分布式锁，比较成熟、主流的方案有基于redis及基于zookeeper的二种方案。

　　大体来讲，基于redis的分布式锁核心指令为SETNX，即如果目标key存在，写入缓存失败返回0，反之如果目标key不存在，写入缓存成功返回1，通过区分这二个不同的返回值，可以认为SETNX成功即为获得了锁。

　　redis分布式锁，看上去很简单，但其实要考虑周全，并不容易，网上有一篇文章讨论得很详细：http://blog.csdn.net/ugg/article/details/41894947/，有兴趣的可以阅读一下。

　　其主要问题在于某些异常情况下，锁的释放会有问题，比如SETNX成功，应用获得锁，这时出于某种原因，比如网络中断，或程序出异常退出，会导致锁无法及时释放，只能依赖于缓存的过期时间，但是过期时间这个值设置多大，也是一个纠结的问题，设置小了，应用处理逻辑很复杂的话，可能会导致锁提前释放，如果设置大了，又会导致锁不能及时释放，所以那篇文章中针对这些细节讨论了很多。

　　而基于zk的分布式锁，在锁的释放问题上处理起来要容易一些，其大体思路是利用zk的“临时顺序”节点，需要获取锁时，在某个约定节点下注册一个临时顺序节点，然后将所有临时节点按小从到大排序，如果自己注册的临时节点正好是最小的，表示获得了锁。(zk能保证临时节点序号始终递增，所以如果后面有其它应用也注册了临时节点，序号肯定比获取锁的应用更大）

　　当应用处理完成，或者处理过程中出现某种原因，导致与zk断开，超过时间阈值（可配置）后，zk server端会自动删除该临时节点，即：锁被释放。所有参与锁竞争的应用，只要监听父路径的子节点变化即可，有变化时（即：有应用断开或注册时），开始抢锁，抢完了大家都在一边等着，直到有新变化时，开始新一轮抢锁。

　　关于zk的分布式锁，网上也有一篇文章写得不错，见http://blog.csdn.net/desilting/article/details/41280869

 

个人感觉：zk做分布式锁机制更完善，但zk抗并发的能力弱于redis，性能上略差，建议如果并发要求高，锁竞争激烈，可考虑用redis，如果抢锁的频度不高，用zk更适合。

 

最后送福利时间到：

　　文中提到的基于zk分布式锁的那篇文章，逻辑上虽然没有问题，但是有些场景下，锁的数量限制可能要求不止1个，比如：某些应用，我希望同时启动2个实例来处理，但是出于HA的考虑，又担心这二个实例会挂掉，这时可以启动4个（或者更多），这些实例中，只允许2个抢到锁的实例可以进行业务处理，其它实例处于standby状态（即：备胎），如果这二个抢到锁的实例挂了（比如异常退出），那么standby的实例会得到锁，即：备胎转正，开始正常业务处理，从而保证了系统的HA。

对于这些场景，我封装了一个抽象类，大家可在此基础上自行修改：(主要看明白思路就行，代码细节并不重要)

package cn.cnblogs.yjmyzz.zookeeper;

import org.I0Itec.zkclient.ZkClient;
import org.apache.commons.collections4.CollectionUtils;
import org.apache.commons.lang3.StringUtils;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import java.util.Collections;
import java.util.Date;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * Created by yangjunming on 5/27/16.
 * 基于Zookeeper的分布式锁
 */
public abstract class AbstractLock {

    private int lockNumber = 1; //允许获取的锁数量(默认为1,即最小节点=自身时，认为获得锁)
    private ZkClient zk = null;
    private String rootNode = "/lock"; //根节点名称
    private String selfNode;
    private final String className = this.getClass().getSimpleName(); //当前实例的className
    private String selfNodeName;//自身注册的临时节点名
    private boolean handling = false;
    protected final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(this.getClass());
    private static final JsonUtil jsonUtil = new FastJsonUtil();
    private static final String SPLIT = "/";
    private String selfNodeFullName;


    /**
     * 通过Zk获取分布式锁
     */
    protected void getLock(int lockNumber) {
        setLockNumber(lockNumber);
        initBean();
        initNode();
        subscribe();
        register();
        heartBeat();
        remainRunning();
    }


    protected void getLock() {
        getLock(1);
    }


    /**
     * 初始化结点
     */
    private void initNode() {

        String error;
        if (!rootNode.startsWith(SPLIT)) {
            error = "rootNode必须以" + SPLIT + "开头";
            logger.error(error);
            throw new RuntimeException(error);
        }

        if (rootNode.endsWith(SPLIT)) {
            error = "不能以" + SPLIT + "结尾";
            logger.error(error);
            throw new RuntimeException(error);
        }

        int start = 1;
        int index = rootNode.indexOf(SPLIT, start);
        String path;
        while (index != -1) {
            path = rootNode.substring(0, index);
            if (!zk.exists(path)) {
                zk.createPersistent(path);
            }
            start = index + 1;
            if (start >= rootNode.length()) {
                break;
            }
            index = rootNode.indexOf(SPLIT, start);
        }

        if (start < rootNode.length()) {
            if (!zk.exists(rootNode)) {
                zk.createPersistent(rootNode);
            }
        }

        selfNode = rootNode + SPLIT + className;

        if (!zk.exists(selfNode)) {
            zk.createPersistent(selfNode);
        }
    }

    /**
     * 向zk注册自身节点
     */
    private void register() {
        selfNodeName = zk.createEphemeralSequential(selfNode + SPLIT, StringUtils.EMPTY);
        if (!StringUtils.isEmpty(selfNodeName)) {
            selfNodeFullName = selfNodeName;
            logger.info("自身节点：" + selfNodeName + ",注册成功！");
            selfNodeName = selfNodeName.substring(selfNode.length() + 1);
        }
        checkMin();
    }

    /**
     * 订阅zk的节点变化
     */
    private void subscribe() {
        zk.subscribeChildChanges(selfNode, (parentPath, currentChilds) -> {
            checkMin();
        });
    }

    /**
     * 检测是否获得锁
     */
    private void checkMin() {
        List<String> list = zk.getChildren(selfNode);
        if (CollectionUtils.isEmpty(list)) {
            logger.error(selfNode + " 无任何子节点!");
            lockFail();
            handling = false;
            return;
        }
        //按序号从小到大排
        Collections.sort(list);

        //如果自身ID在前N个锁中，则认为获取成功
        int max = Math.min(getLockNumber(), list.size());
        for (int i = 0; i < max; i++) {
            if (list.get(i).equals(selfNodeName)) {
                if (!handling) {
                    lockSuccess();
                    handling = true;
                    logger.info("获得锁成功！");
                }
                return;
            }
        }

        int selfIndex = list.indexOf(selfNodeName);
        if (selfIndex > 0) {
            logger.info("前面还有节点" + list.get(selfIndex - 1) + "，获取锁失败！");
        } else {
            logger.info("获取锁失败！");
        }
        lockFail();

        handling = false;
    }

    /**
     * 获得锁成功的处理回调
     */
    protected abstract void lockSuccess();

    /**
     * 获得锁失败的处理回调
     */
    protected abstract void lockFail();

    /**
     * 初始化相关的Bean对象
     */
    protected abstract void initBean();


    protected void setZkClient(ZkClient zk) {
        this.zk = zk;
    }

    protected int getLockNumber() {
        return lockNumber;
    }

    protected void setLockNumber(int lockNumber) {
        this.lockNumber = lockNumber;
    }

    protected void setRootNode(String value) {
        this.rootNode = value;
    }

    /**
     * 防程序退出
     */
    private void remainRunning() {
        byte[] lock = new byte[0];
        synchronized (lock) {
            try {
                lock.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
                logger.error("remainRunning出错：", e);
            }
        }
    }

    /**
     * 定时向zk发送心跳
     */
    private void heartBeat() {
        ScheduledExecutorService service = Executors.newScheduledThreadPool(1);
        service.scheduleAtFixedRate(() -> {
            HeartBeat heartBeat = new HeartBeat();
            heartBeat.setHostIp(NetworkUtil.getHostAddress());
            heartBeat.setHostName(NetworkUtil.getHostName());
            heartBeat.setLastTime(new Date());
            heartBeat.setPid(RuntimeUtil.getPid());
            zk.writeData(selfNodeFullName, jsonUtil.toJson(heartBeat));
        }, 0, 15, TimeUnit.SECONDS);
    }
}

这个类中，提供了三个抽象方法：

    /**
     * 获得锁成功的处理回调
     */
    protected abstract void lockSuccess();

    /**
     * 获得锁失败的处理回调
     */
    protected abstract void lockFail();

    /**
     * 初始化相关的Bean对象
     */
    protected abstract void initBean();

用于处理抢锁成功、抢锁失败、及开抢前的一些对象初始化处理，子类继承后，只要实现这3个具体的方法即可，同时该抽象类默认还提供了心跳机制，用于定时向zk汇报自身的健康状态。