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ZooKeeper入门教程三分布式锁实现及完整运行源码

2022-01-28 12:45:41 作者：爱码叔（稀有气体）

本文是ZooKeeper入门系列教程，分布式锁有多种实现方式，比如通过数据库、redis都可实现。作为分布式协同工具ZooKeeper，当然也有着标准的实现方式。本文介绍在zookeeper中如何实现排他锁

ZooKeeper入门教程一简介与核心概念

ZooKeeper入门教程二在单机和集群环境下的安装搭建及使用

1.0版本

首先我们先介绍一个简单的zookeeper实现分布式锁的思路：

用zookeeper中一个临时节点代表锁，比如在/exlusive_lock下创建临时子节点/exlusive_lock/lock。

所有客户端争相创建此节点，但只有一个客户端创建成功。
创建成功代表获取锁成功，此客户端执行业务逻辑
未创建成功的客户端，监听/exlusive_lock变更
获取锁的客户端执行完成后，删除/exlusive_lock/lock，表示锁被释放
锁被释放后，其他监听/exlusive_lock变更的客户端得到通知，再次争相创建临时子节点/exlusive_lock/lock。此时相当于回到了第2步。

我们的程序按照上述逻辑直至抢占到锁，执行完业务逻辑。

上述是较为简单的分布式锁实现方式。能够应付一般使用场景，但存在着如下两个问题：

1、锁的获取顺序和最初客户端争抢顺序不一致，这不是一个公平锁。每次锁获取都是当次最先抢到锁的客户端。

2、羊群效应，所有没有抢到锁的客户端都会监听/exlusive_lock变更。当并发客户端很多的情况下，所有的客户端都会接到通知去争抢锁，此时就出现了羊群效应。

为了解决上面的问题，我们重新设计。

2.0版本

我们在2.0版本中，让每个客户端在/exlusive_lock下创建的临时节点为有序节点，这样每个客户端都在/exlusive_lock下有自己对应的锁节点，而序号排在最前面的节点，代表对应的客户端获取锁成功。排在后面的客户端监听自己前面一个节点，那么在他前序客户端执行完成后，他将得到通知，获得锁成功。逻辑修改如下：

每个客户端往/exlusive_lock下创建有序临时节点/exlusive_lock/lock_。创建成功后/exlusive_lock下面会有每个客户端对应的节点，如/exlusive_lock/lock_000000001
客户端取得/exlusive_lock下子节点，并进行排序，判断排在最前面的是否为自己。如果自己的锁节点在第一位，代表获取锁成功，此客户端执行业务逻辑
如果自己的锁节点不在第一位，则监听自己前一位的锁节点。例如，自己锁节点lock_000000002，那么则监听lock_000000001.
当前一位锁节点（lock_000000001）对应的客户端执行完成，释放了锁，将会触发监听客户端（lock_000000002）的逻辑。
监听客户端重新执行第2步逻辑，判断自己是否获得了锁。

如此修改后，每个客户端只关心自己前序锁是否释放，所以每次只会有一个客户端得到通知。而且，所有客户端的执行顺序和最初锁创建的顺序是一致的。解决了1.0版本的两个问题。

接下来我们看看代码如何实现。

LockSample类

此类是分布式锁类，实现了2个分布式锁的相关方法：

1、获取锁

2、释放锁

主要程序逻辑围绕着这两个方法的实现，特别是获取锁的逻辑。我们先看一下该类的成员变量：

private ZooKeeper zkClient;
private static final String LOCK_ROOT_PATH = "/Locks";
private static final String LOCK_NODE_NAME = "Lock_";
private String lockPath;

定义了zkClient，用来操作zookeeper。

锁的根路径，及自增节点的前缀。此处生产环境应该由客户端传入。

当前锁的路径。

构造方法

public LockSample() throws IOException {
    zkClient= new ZooKeeper("localhost:2181", 10000, new Watcher() {
        @Override
        public void process(WatchedEvent event) {
            if(event.getState()== Event.KeeperState.Disconnected){
                System.out.println("失去连接");
 
            }
        }
    });
}

创建zkClient，同时创建了状态监听。此监听可以去掉，这里只是打印出失去连接状态。

获取锁实现

暴露出来的获取锁的方法为acquireLock()，逻辑很简单：

public  void acquireLock() throws InterruptedException, KeeperException {
    //创建锁节点
    createLock();
    //尝试获取锁
    attemptLock();
}

首先创建锁节点，然后尝试去取锁。真正的逻辑都在这两个方法中。

createLock()

先判断锁的根节点/Locks是否存在，不存在的话创建。然后在/Locks下创建有序临时节点，并设置当前的锁路径变量lockPath。

代码如下：

private void createLock() throws KeeperException, InterruptedException {
    //如果根节点不存在，则创建根节点
    Stat stat = zkClient.exists(LOCK_ROOT_PATH, false);
    if (stat == null) {
        zkClient.create(LOCK_ROOT_PATH, new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);
    }
 
    // 创建EPHEMERAL_SEQUENTIAL类型节点
    String lockPath = zkClient.create(LOCK_ROOT_PATH + "/" + LOCK_NODE_NAME,
            Thread.currentThread().getName().getBytes(), ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
            CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 锁创建: " + lockPath);
    this.lockPath=lockPath;
}

attemptLock()

这是最核心的方法，客户端尝试去获取锁，是对2.0版本逻辑的实现，这里就不再重复逻辑，直接看代码：

private void attemptLock() throws KeeperException, InterruptedException {
    // 获取Lock所有子节点，按照节点序号排序
    List<String> lockPaths = null;
    lockPaths = zkClient.getChildren(LOCK_ROOT_PATH, false);
    Collections.sort(lockPaths);
    int index = lockPaths.indexOf(lockPath.substring(LOCK_ROOT_PATH.length() + 1));
    // 如果lockPath是序号最小的节点，则获取锁
    if (index == 0) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 锁获得, lockPath: " + lockPath);
        return ;
    } else {
        // lockPath不是序号最小的节点，监听前一个节点
        String preLockPath = lockPaths.get(index - 1);
 
        Stat stat = zkClient.exists(LOCK_ROOT_PATH + "/" + preLockPath, watcher);
 
        // 假如前一个节点不存在了，比如说执行完毕，或者执行节点掉线，重新获取锁
        if (stat == null) {
            attemptLock();
        } else { // 阻塞当前进程，直到preLockPath释放锁，被watcher观察到，notifyAll后，重新acquireLock
            System.out.println(" 等待前锁释放，prelocakPath："+preLockPath);
            synchronized (watcher) {
                watcher.wait();
            }
            attemptLock();
        }
    }
}

注意这一行代码

Stat stat = zkClient.exists(LOCK_ROOT_PATH + "/" + preLockPath, watcher);

我们在获取前一个节点的时候，同时设置了监听watcher。如果前锁存在，则阻塞主线程。

watcher定义代码如下：

private Watcher watcher = new Watcher() {
    @Override
    public void process(WatchedEvent event) {
        System.out.println(event.getPath() + " 前锁释放");
        synchronized (this) {
            notifyAll();
        }
    }
};

watcher只是notifyAll，让主线程继续执行，以便再次调用attemptLock()，去尝试获取lock。如果没有异常情况的话，此时当前客户端应该能够成功获取锁。

释放锁实现

释放锁原语实现很简单，参照releaseLock()方法。代码如下：

public void releaseLock() throws KeeperException, InterruptedException {
    zkClient.delete(lockPath, -1);
    zkClient.close();
    System.out.println(" 锁释放：" + lockPath);
}

关于分布式锁的代码到此就讲解完了，我们再看下客户端如何使用它。

我们创建一个TicketSeller类，作为客户端来使用分布式锁。

TicketSeller类

sell()

不带锁的业务逻辑方法，代码如下：

private void sell(){
    System.out.println("售票开始");
    // 线程随机休眠数毫秒，模拟现实中的费时操作
    int sleepMillis = (int) (Math.random() * 2000);
    try {
        //代表复杂逻辑执行了一段时间
        Thread.sleep(sleepMillis);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("售票结束");
}

仅是为了演示，sleep了一段时间。

sellTicketWithLock()

此方法中，加锁后执行业务逻辑，代码如下：

public void sellTicketWithLock() throws KeeperException, InterruptedException, IOException {
    LockSample lock = new LockSample();
    lock.acquireLock();
    sell();
    lock.releaseLock();
}

测试入口

接下来我们写一个main函数做测试：

public static void main(String[] args) throws KeeperException, InterruptedException, IOException {
    TicketSeller ticketSeller = new TicketSeller();
    for(int i=0;i<1000;i++){
        ticketSeller.sellTicketWithLock();
    }
}

main函数中我们循环调用ticketSeller.sellTicketWithLock()，执行加锁后的卖票逻辑。

测试方法

1、先启动一个java程序运行，可以看到日志输出如下：

main 锁创建: /Locks/Lock_0000000391
main 锁获得, lockPath: /Locks/Lock_0000000391
售票开始
售票结束
 锁释放：/Locks/Lock_0000000391
main 锁创建: /Locks/Lock_0000000392
main 锁获得, lockPath: /Locks/Lock_0000000392
售票开始
售票结束
 锁释放：/Locks/Lock_0000000392
main 锁创建: /Locks/Lock_0000000393
main 锁获得, lockPath: /Locks/Lock_0000000393
售票开始
售票结束
 锁释放：/Locks/Lock_0000000393

可见每次执行都是按照锁的顺序执行，而且由于只有一个进程，并没有锁的争抢发生。

2、我们再启动一个同样的程序，锁的争抢此时发生了，可以看到双方的日志输出如下：

程序1:

main 锁获得, lockPath: /Locks/Lock_0000000471
售票开始
售票结束
 锁释放：/Locks/Lock_0000000471
main 锁创建: /Locks/Lock_0000000473
 等待前锁释放，prelocakPath：Lock_0000000472
/Locks/Lock_0000000472 前锁释放
main 锁获得, lockPath: /Locks/Lock_0000000473
售票开始
售票结束
 锁释放：/Locks/Lock_0000000473

可以看到Lock_0000000471执行完成后，该进程获取的锁为Lock_0000000473，这说明Lock_0000000472被另外一个进程创建了。此时Lock_0000000473在等待前锁释放。Lock_0000000472释放后，Lock_0000000473才获得锁，然后才执行业务逻辑。

我们再看程序2的日志：

main 锁获得, lockPath: /Locks/Lock_0000000472
售票开始
售票结束
 锁释放：/Locks/Lock_0000000472
main 锁创建: /Locks/Lock_0000000474
 等待前锁释放，prelocakPath：Lock_0000000473
/Locks/Lock_0000000473 前锁释放
main 锁获得, lockPath: /Locks/Lock_0000000474
售票开始
售票结束
 锁释放：/Locks/Lock_0000000474

可以看到，确实是进程2获取了Lock_0000000472。

zookeeper实现分布式锁就先讲到这。注意代码只做演示用，并不适合生产环境使用。

代码清单如下：

1、LockSample

import org.apache.zookeeper.*;
import org.apache.zookeeper.data.Stat;
 
import java.io.IOException;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
 
public class LockSample {
 
    //ZooKeeper配置信息
    private ZooKeeper zkClient;
    private static final String LOCK_ROOT_PATH = "/Locks";
    private static final String LOCK_NODE_NAME = "Lock_";
    private String lockPath;
 
    // 监控lockPath的前一个节点的watcher
    private Watcher watcher = new Watcher() {
        @Override
        public void process(WatchedEvent event) {
            System.out.println(event.getPath() + " 前锁释放");
            synchronized (this) {
                notifyAll();
            }
 
        }
    };
 
    public LockSample() throws IOException {
        zkClient= new ZooKeeper("localhost:2181", 10000, new Watcher() {
            @Override
            public void process(WatchedEvent event) {
                if(event.getState()== Event.KeeperState.Disconnected){
                    System.out.println("失去连接");
 
                }
            }
        });
    }
 
    //获取锁的原语实现.
    public  void acquireLock() throws InterruptedException, KeeperException {
        //创建锁节点
        createLock();
        //尝试获取锁
        attemptLock();
    }
 
    //创建锁的原语实现。在lock节点下创建该线程的锁节点
    private void createLock() throws KeeperException, InterruptedException {
        //如果根节点不存在，则创建根节点
        Stat stat = zkClient.exists(LOCK_ROOT_PATH, false);
        if (stat == null) {
            zkClient.create(LOCK_ROOT_PATH, new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);
        }
 
        // 创建EPHEMERAL_SEQUENTIAL类型节点
        String lockPath = zkClient.create(LOCK_ROOT_PATH + "/" + LOCK_NODE_NAME,
                Thread.currentThread().getName().getBytes(), ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
                CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 锁创建: " + lockPath);
        this.lockPath=lockPath;
    }
 
    private void attemptLock() throws KeeperException, InterruptedException {
        // 获取Lock所有子节点，按照节点序号排序
        List<String> lockPaths = null;
 
        lockPaths = zkClient.getChildren(LOCK_ROOT_PATH, false);
 
        Collections.sort(lockPaths);
 
        int index = lockPaths.indexOf(lockPath.substring(LOCK_ROOT_PATH.length() + 1));
 
        // 如果lockPath是序号最小的节点，则获取锁
        if (index == 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 锁获得, lockPath: " + lockPath);
            return ;
        } else {
            // lockPath不是序号最小的节点，监控前一个节点
            String preLockPath = lockPaths.get(index - 1);
 
            Stat stat = zkClient.exists(LOCK_ROOT_PATH + "/" + preLockPath, watcher);
 
            // 假如前一个节点不存在了，比如说执行完毕，或者执行节点掉线，重新获取锁
            if (stat == null) {
                attemptLock();
            } else { // 阻塞当前进程，直到preLockPath释放锁，被watcher观察到，notifyAll后，重新acquireLock
                System.out.println(" 等待前锁释放，prelocakPath："+preLockPath);
                synchronized (watcher) {
                    watcher.wait();
                }
                attemptLock();
            }
        }
    }
 
    //释放锁的原语实现
    public void releaseLock() throws KeeperException, InterruptedException {
        zkClient.delete(lockPath, -1);
        zkClient.close();
        System.out.println(" 锁释放：" + lockPath);
    }
 
 
}

2、TicketSeller

import org.apache.zookeeper.KeeperException;
import java.io.IOException;
public class TicketSeller {
    private void sell(){
        System.out.println("售票开始");
        // 线程随机休眠数毫秒，模拟现实中的费时操作
        int sleepMillis = (int) (Math.random() * 2000);
        try {
            //代表复杂逻辑执行了一段时间
            Thread.sleep(sleepMillis);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("售票结束");
    }
 
    public void sellTicketWithLock() throws KeeperException, InterruptedException, IOException {
        LockSample lock = new LockSample();
        lock.acquireLock();
        sell();
        lock.releaseLock();
    }
 
    public static void main(String[] args) throws KeeperException, InterruptedException, IOException {
        TicketSeller ticketSeller = new TicketSeller();
        for(int i=0;i<1000;i++){
            ticketSeller.sellTicketWithLock();
 
        }
    }
}

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