【分布式锁】06-Zookeeper实现分布式锁：可重入锁源码分析
- 2020 年 3 月 30 日
- 筆記
前言
前面已经讲解了Redis的客户端Redission是怎么实现分布式锁的，大多都深入到源码级别。
在分布式系统中，常见的分布式锁实现方案还有Zookeeper，接下来会深入研究Zookeeper是如何来实现分布式锁的。
Zookeeper初识
文件系统
Zookeeper维护一个类似文件系统的数据结构
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每个子目录项如NameService都被称为znoed,和文件系统一样，我们能够自由的增加、删除znode,在znode下增加、删除子znode,唯一不同的在于znode是可以存储数据的。
有4种类型的znode
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PERSISTENT–持久化目录节点客户端与zookeeper断开连接后，该节点依旧存在
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PERSISTENT_SEQUENTIAL-持久化顺序编号目录节点客户端与zookeeper断开连接后，该节点依旧存在，只是Zookeeper给该节点名称进行顺序编号
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EPHEMERAL-临时目录节点客户端与zookeeper断开连接后，该节点被删除
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EPHEMERAL_SEQUENTIAL-临时顺序编号目录节点客户端与zookeeper断开连接后，该节点被删除，只是Zookeeper给该节点名称进行顺序编号
通知机制
客户端注册监听它关心的目录节点，当目录节点发生变化（数据改变、被删除、子目录节点增加删除）等，zookeeper会通知客户端。
分布式锁
有了zookeeper的一致性文件系统，锁的问题变得容易。锁服务可以分为两类，一个是保持独占，另一个是控制时序。
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对于第一类，我们将zookeeper上的一个znode看作是一把锁，通过create znode的方式来实现。所有客户端都去创建 /distribute_lock 节点，最终成功创建的那个客户端也即拥有了这把锁。厕所有言：来也冲冲，去也冲冲，用完删除掉自己创建的distribute_lock 节点就释放出锁。
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对于第二类， /distribute_lock 已经预先存在，所有客户端在它下面创建临时顺序编号目录节点，和选master一样，编号最小的获得锁，用完删除自己创建的znode节点。
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注明：以上内容参考 https://www.cnblogs.com/dream-to-pku/p/9513188.html
Curator框架初识
Curator是Netflix公司开源的一套Zookeeper客户端框架。目前已经作为Apache的顶级项目出现，是最流行的Zookeeper客户端之一。
我们看下Apache Curator官网的介绍：
image.png
接着看下quick start中关于分布式锁相关的内容
地址为：http://curator.apache.org/getting-started.html
InterProcessMutex lock = new InterProcessMutex(client, lockPath); if ( lock.acquire(maxWait, waitUnit) ) { try { // do some work inside of the critical section here } finally { lock.release(); } }
使用很简单，使用InterProcessMutex类，使用其中的acquire()方法，就可以获取一个分布式锁了。
Curator分布式锁使用示例
启动两个线程t1和t2去争夺锁，拿到锁的线程会占用5秒。运行多次可以观察到，有时是t1先拿到锁而t2等待，有时又会反过来。Curator会用我们提供的lock路径的结点作为全局锁，这个结点的数据类似这种格式：[_c_64e0811f-9475-44ca-aa36-c1db65ae5350-lock-00000000001]，每次获得锁时会生成这种串，释放锁时清空数据。
接下来看看加锁的示例：
public class Application { private static final String ZK_ADDRESS = "192.20.38.58:2181"; private static final String ZK_LOCK_PATH = "/locks/lock_01"; public static void main(String[] args) throws InterruptedException { CuratorFramework client = CuratorFrameworkFactory.newClient( ZK_ADDRESS, new RetryNTimes(10, 5000) ); client.start(); System.out.println("zk client start successfully!"); Thread t1 = new Thread(() -> { doWithLock(client); }, "t1"); Thread t2 = new Thread(() -> { doWithLock(client); }, "t2"); t1.start(); t2.start(); } private static void doWithLock(CuratorFramework client) { InterProcessMutex lock = new InterProcessMutex(client, ZK_LOCK_PATH); try { if (lock.acquire(10 * 1000, TimeUnit.SECONDS)) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " hold lock"); Thread.sleep(5000L); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " release lock"); } } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } finally { try { lock.release(); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } } }
运行结果：
image.png
Curator 加锁实现原理
直接看Curator加锁的代码：
public class InterProcessMutex implements InterProcessLock, Revocable<InterProcessMutex> { private final ConcurrentMap<Thread, LockData> threadData = Maps.newConcurrentMap(); private static class LockData { final Thread owningThread; final String lockPath; final AtomicInteger lockCount = new AtomicInteger(1); private LockData(Thread owningThread, String lockPath) { this.owningThread = owningThread; this.lockPath = lockPath; } } @Override public boolean acquire(long time, TimeUnit unit) throws Exception { return internalLock(time, unit); } private boolean internalLock(long time, TimeUnit unit) throws Exception { /* Note on concurrency: a given lockData instance can be only acted on by a single thread so locking isn't necessary */ Thread currentThread = Thread.currentThread(); LockData lockData = threadData.get(currentThread); if ( lockData != null ) { // re-entering lockData.lockCount.incrementAndGet(); return true; } String lockPath = internals.attemptLock(time, unit, getLockNodeBytes()); if ( lockPath != null ) { LockData newLockData = new LockData(currentThread, lockPath); threadData.put(currentThread, newLockData); return true; } return false; } }
直接看internalLock()方法，首先是获取当前线程，然后查看当前线程是否在一个concurrentHashMap中，这里是重入锁的实现，如果当前已经已经获取了锁，那么这个线程获取锁的次数再+1
如果没有获取锁，那么就是用attemptLock()方法去尝试获取锁，如果lockPath不为空，说明获取锁成功，并将当前线程放入到map中。
接下来看看核心的加锁逻辑attemptLock()方法：
入参：time : 获取锁等待的时间unit：时间单位lockNodeBytes：默认为null
public class LockInternals { String attemptLock(long time, TimeUnit unit, byte[] lockNodeBytes) throws Exception { final long startMillis = System.currentTimeMillis(); final Long millisToWait = (unit != null) ? unit.toMillis(time) : null; final byte[] localLockNodeBytes = (revocable.get() != null) ? new byte[0] : lockNodeBytes; int retryCount = 0; String ourPath = null; boolean hasTheLock = false; boolean isDone = false; while ( !isDone ) { isDone = true; try { if ( localLockNodeBytes != null ) { ourPath = client.create().creatingParentsIfNeeded().withProtection().withMode(CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL).forPath(path, localLockNodeBytes); } else { ourPath = client.create().creatingParentsIfNeeded().withProtection().withMode(CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL).forPath(path); } hasTheLock = internalLockLoop(startMillis, millisToWait, ourPath); } catch ( KeeperException.NoNodeException e ) { // gets thrown by StandardLockInternalsDriver when it can't find the lock node // this can happen when the session expires, etc. So, if the retry allows, just try it all again if ( client.getZookeeperClient().getRetryPolicy().allowRetry(retryCount++, System.currentTimeMillis() - startMillis, RetryLoop.getDefaultRetrySleeper()) ) { isDone = false; } else { throw e; } } } if ( hasTheLock ) { return ourPath; } return null; } }
ourPath = client.create().creatingParentsIfNeeded().withProtection().withMode(CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL).forPath(path);
使用的临时顺序节点，首先他是临时节点，如果当前这台机器如果自己宕机的话，他创建的这个临时节点就会自动消失，如果有获取锁的客户端宕机了，zk可以保证锁会自动释放的
创建的数据结构类似于：
客户端A获取锁的代码，生成的ourPath=xxxx01
客户端B获取锁的代码，生成的ourPath=xxxx02
查看Zookeeper中/locks/lock_01下所有临时节点数据：
PS：01/02的图没有截到，这里又跑了一次截图所示 03/04 的顺序节点在ZK中的显示
接着重点看interalLockLoop()的逻辑：
public class LockInternals { private boolean internalLockLoop(long startMillis, Long millisToWait, String ourPath) throws Exception { boolean haveTheLock = false; boolean doDelete = false; try { if ( revocable.get() != null ) { client.getData().usingWatcher(revocableWatcher).forPath(ourPath); } while ( (client.getState() == CuratorFrameworkState.STARTED) && !haveTheLock ) { List<String> children = getSortedChildren(); String sequenceNodeName = ourPath.substring(basePath.length() + 1); // +1 to include the slash PredicateResults predicateResults = driver.getsTheLock(client, children, sequenceNodeName, maxLeases); if ( predicateResults.getsTheLock() ) { haveTheLock = true; } else { String previousSequencePath = basePath + "/" + predicateResults.getPathToWatch(); synchronized(this) { Stat stat = client.checkExists().usingWatcher(watcher).forPath(previousSequencePath); if ( stat != null ) { if ( millisToWait != null ) { millisToWait -= (System.currentTimeMillis() - startMillis); startMillis = System.currentTimeMillis(); if ( millisToWait <= 0 ) { doDelete = true; // timed out - delete our node break; } wait(millisToWait); } else { wait(); } } } // else it may have been deleted (i.e. lock released). Try to acquire again } } } // 省略部分代码 return haveTheLock; } }
重点看while循环中的逻辑
首先是获取锁的逻辑：
- 获取
/locks/lock_01下排好序的znode节点，上面看图已经知道，会有xxx01和xxx02两个节点 - 调用
getsTheLock()方法获取锁，其中maxLeases为1，默认只能一个线程获取锁 - 定位到
StandardLockInternalsDriver.getsTheLock()方法，其中代码核心如下：int ourIndex = children.indexOf(sequenceNodeName);boolean getsTheLock = ourIndex < maxLeases; - 上面
sequenceNodeName参数为xxx01的全路径名，然后查看在排好序的children列表中是否为第一个元素，如果是第一个元素，返回的ourIndex=0，此时则认为获取锁成功 - 如果为有序列表中的第一个元素，那么
predicateResults.getsTheLock()为true，获取锁的标志位havaTheLock为true，直接返回获取锁成功
然后是获取锁失败的逻辑：
获取锁失败的核心代码：
String previousSequencePath = basePath + "/" + predicateResults.getPathToWatch(); synchronized(this) { Stat stat = client.checkExists().usingWatcher(watcher).forPath(previousSequencePath); if ( stat != null ) { if ( millisToWait != null ) { millisToWait -= (System.currentTimeMillis() - startMillis); startMillis = System.currentTimeMillis(); if ( millisToWait <= 0 ) { doDelete = true; // timed out - delete our node break; } wait(millisToWait); } else { wait(); } } }
- 针对上一个节点添加监听器
- 如果加锁有过期时间，到了过期时间后直接break退出循环
- 当前线程处于wait()状态，等待上一个线程释放锁
Curator 释放锁实现原理
释放锁其实很简单，直接删除当前临时节点，因为下一个节点监听了上一个节点信息，所以上一个节点删除后，当前节点就会被唤醒重新获取锁。
private void deleteOurPath(String ourPath) throws Exception { try { client.delete().guaranteed().forPath(ourPath); } catch ( KeeperException.NoNodeException e ) { // ignore - already deleted (possibly expired session, etc.) } }
总结
一张图总结：
04_Zookeeper分布式锁实现原理.jpg
原图可查看我的分享：
https://www.processon.com/view/link/5e80508de4b06b85300175d2
