一、Zookeeper简介
Zookeeper是一个分布式协同工具，提供了可靠的分布式节点数据管理、状态同步、配置维护等功能，使得分布式应用中各个节点能够协同工作。它具有高性能，遵循CP原则，即一致性和分区容错性，保证了数据的一致性；同时可实现高可用性，保证节点的可用性。Zookeeper提供了轻量级的HTTP API，可以通过Java和其他编程语言使用。
二、锁概念
锁（Lock）是一种同步机制，用于管理对共享资源的访问。在分布式环境中，锁的实现变得更加困难，需要确保各个节点的同步和互斥。分布式锁就是在分布式环境中，实现锁的一种方式，保证各个节点的数据一致性和互斥性。
三、Zookeeper分布式锁实现
在分布式锁的实现中，先来看看Zookeeper的数据模型。Zookeeper中的数据模型是非常简单的，类似于Unix文件系统，它也是一个树状结构，称为ZNode。ZNode可以存储一些数据，可以看成一个目录，其中包含了一些子节点。每个ZNode都有一个版本号，可以实现对ZNode的乐观锁控制。
/**
* ZooKeeper实现分布式锁
* 使用zk.create()方法的EPHEMERAL_SEQUENTIAL模式实现锁的节点创建
*/
private ZooKeeper zk;
private String lockName;
private String lockPath;
private int sessionTimeout;
public ZookeeperLock(String connectStr, String lockName, int sessionTimeout) throws IOException {
this.lockName = lockName;
this.sessionTimeout = sessionTimeout;
// 连接zookeeper
zk = new ZooKeeper(connectStr, sessionTimeout, new Watcher() {
@Override
public void process(WatchedEvent watchedEvent) {
if (Watcher.Event.KeeperState.SyncConnected == watchedEvent.getState()) {
System.out.println("已连接");
}
}
});
}
// 创建锁的节点
private void createLockNode(String lockName) throws InterruptedException {
try {
String basePath = "/locks";
// 创建锁的节点，使用EPHEMERAL_SEQUENTIAL模式实现
lockPath = zk.create(basePath + "/" + lockName + "-", null, ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
} catch (KeeperException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
// 获取锁
public synchronized boolean getLock() throws InterruptedException {
// 创建锁节点
createLockNode(lockName);
// 获取/locks下的所有节点
List allLocks = zk.getChildren("/locks", false);
// 对节点按照名称进行排序
Collections.sort(allLocks);
// 取出所有锁节点中最小的节点，并判断是否为当前锁
String currentLockPath = lockPath.substring("/locks".length() + 1);
int index = allLocks.indexOf(currentLockPath);
if (index == 0) { // 已经获取到锁
return true;
} else { // 未获取到锁，删除当前锁节点
String preLockPath = "/locks/" + allLocks.get(index - 1);
Stat stat = zk.exists(preLockPath, true);
if (stat == null) {
return getLock();
} else {
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
Watcher watcher = new Watcher() {
@Override
public void process(WatchedEvent watchedEvent) {
latch.countDown();
}
};
zk.getData(preLockPath, watcher, stat);
latch.await();
return getLock();
}
}
}
// 释放锁
public synchronized void releaseLock() {
try {
zk.delete(lockPath, -1);
zk.close();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (KeeperException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
四、分布式锁实现的问题和优化
4.1 问题
在上述Zookeeper分布式锁的实现中，会出现“惊群效应”的问题。当有多个节点需要获取锁时，由于各个节点的状态变化都会触发Zookeeper的watcher机制，会使得羊群效应严重，性能严重下降。
4.2 优化
避免“惊群效应”的解决方案有很多种，这里介绍一种基于Zookeeper的改进方案。在Zookeeper的watcher机制下，多个节点的状态改变都会触发，导致了“惊群效应”的问题。因此，解决方案就是减少状态改变的次数，这样能减少watcher的触发次数，提高性能。
改进方案如下：
- 只在需要获取锁时，才创建锁节点
- 在获取到锁时，传入一个timeout参数作为锁的过期时间，如果在指定的时间内锁未被释放，自动删除锁节点
- 在释放锁时，先检查锁是否已经失效
/**
* ZooKeeper实现分布式锁 - 改进版
*/
private ZooKeeper zk;
private String lockName;
private String lockPath;
private int sessionTimeout;
public ZookeeperLock(String connectStr, String lockName, int sessionTimeout) throws IOException {
this.lockName = lockName;
this.sessionTimeout = sessionTimeout;
// 连接zookeeper
zk = new ZooKeeper(connectStr, sessionTimeout, new Watcher() {
@Override
public void process(WatchedEvent watchedEvent) {
if (Watcher.Event.KeeperState.SyncConnected == watchedEvent.getState()) {
System.out.println("已连接");
}
}
});
}
// 获取锁
public synchronized boolean getLock(long timeout) throws InterruptedException {
long start = System.currentTimeMillis();
// 创建锁节点
createLockNode(lockName);
// 获取/locks下的所有节点
List allLocks = zk.getChildren("/locks", false);
// 对节点按照名称进行排序
Collections.sort(allLocks);
// 取出所有锁节点中最小的节点，并判断是否为当前锁
String currentLockPath = lockPath.substring("/locks".length() + 1);
int index = allLocks.indexOf(currentLockPath);
if (index == 0) { // 已经获取到锁
return true;
} else { // 未获取到锁，监视前一个节点
String preLockPath = "/locks/" + allLocks.get(index - 1);
Stat stat = zk.exists(preLockPath, new Watcher() {
@Override
public void process(WatchedEvent watchedEvent) {
synchronized (this) {
notifyAll();
}
}
});
if (stat == null) {
return getLock(timeout - (System.currentTimeMillis() - start));
} else { // 等待前一个锁释放
synchronized (this) {
wait(timeout - (System.currentTimeMillis() - start));
}
return getLock(timeout);
}
}
}
// 创建锁的节点
private void createLockNode(String lockName) throws InterruptedException {
try {
String basePath = "/locks";
// 创建锁的节点，使用EPHEMERAL_SEQUENTIAL模式实现
lockPath = zk.create(basePath + "/" + lockName + "-", null, ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
} catch (KeeperException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
// 释放锁
public synchronized void releaseLock() {
try {
zk.delete(lockPath, -1);
zk.close();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (KeeperException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
// 检查锁是否已经失效
private boolean isLockExpired(String currentLockPath, long timeout) throws Exception {
List
allLocks = zk.getChildren("/locks", false);
int index = allLocks.indexOf(currentLockPath);
if (index < 0) { // 当前锁节点已经不存在了
return true;
} else if (index == 0) { // 已经获取到了锁
return false;
} else { // 未获取到锁，检查前一个节点是否已经失效
String preLockPath = "/locks/" + allLocks.get(index - 1);
Stat stat = zk.exists(preLockPath, new Watcher() {
@Override
public void process(WatchedEvent watchedEvent) {
synchronized (this) {
notifyAll();
}
}
});
if (stat == null) { // 前一个节点已经失效
return isLockExpired(currentLockPath, timeout);
} else { // 前一个节点未失效
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
Watcher watcher = new Watcher() {
@Override
public void process(WatchedEvent watchedEvent) {
latch.countDown();
}
};
zk.getData(preLockPath, watcher, stat);
latch.await(timeout, TimeUnit.MILLISECONDS);
return isLockExpired(currentLockPath, timeout);
}
}
}
五、总结
在分布式系统中，实现分布式锁是比较复杂的一件事情。Zookeeper提供可靠的分布式节点数据管理功能，适合实现分布式锁。通过Zookeeper的全局有序性和watcher机制，能够确保分布式锁的同步和互斥。同时，为了避免“惊群效应”和提高分布式锁的性能，可以通过上述的优化方案。
