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图解curator如何实现zookeeper分布式锁

news 来源：原创 2024/4/26 7:13:02

文章目录

  • 一、前言
  • 二、curator分布式锁种类
  • 三、Zookeeper分布式锁概述
    • 1、Zookeeper分布式锁实现思路
    • 2、Zookeeper分布式锁解决的问题
    • 3、Zookeeper分布式锁优缺点？
  • 四、InterProcessMute实现分布式锁原理
    • 1、加锁流程（acquire()方法）
      • 0）加锁流程图
      • 1）internalLock()
        • LockData
        • internalLock()方法逻辑
      • 2）LockInternals#attemptLock() --> 尝试加锁
        • 1> StandardLockInternalsDriver#createsTheLock() --> 创建临时有序节点
        • 2> 判断刚创建的锁路径是否为第一个节点
      • 3）监听器的运作
    • 2、解锁流程（release()方法）
      • 0）解锁流程图
      • 1）文字描述
  • 五、总结
    • 网络IO次数

一、前言

更多内容见Zookeeper专栏：https://blog.csdn.net/saintmm/category_11579394.html

至此，Zookeeper系列的内容已出：

1.zookeeper集群搭建
2. Zookeeper集群选举机制
3. Paxos算法解析
4. Zookeeper（curator）实现分布式锁案例

紧接着上一篇的内容，从源码层面来看curator是如何实现zookeeper分布式锁的？

二、curator分布式锁种类

curator提供了四种分布式锁，都实现自接口InterProcessLock；

JAVA-doc：https://curator.apache.org/apidocs/org/apache/curator/framework/recipes/locks/package-summary.html

1> InterProcessMutex

  • 可重入排它锁，每成功加锁一次，就要解锁一次。

2> InterProcessSemaphoreMutex

  • 不可重入排他锁

3> InterProcessReadWriteLock

  • 可重入读写锁，读共享，写互斥；
  • 一个拥有写锁的线程可重入读锁，但是读锁却不能进入写锁。
  • 这意味着写锁可以降级成读锁， 比如请求写锁 —>请求读锁—>释放读锁 —->释放写锁。

4> InterProcessMultiLock

  • 联锁， 将多个锁作为单个实体管理的容器；
  • 当调用acquire()， 所有的锁都会被acquire()，如果请求失败，所有的锁都会被release。 同样调用release时所有的锁都被release(失败被忽略)。

下面以可重入排他锁InterProcessMutex为例，展开讨论；

三、Zookeeper分布式锁概述

1、Zookeeper分布式锁实现思路

Zookeeper实现排他锁的设计思路如下：

  • zk用/lock节点作为分布式锁，当不同的客户端到zk竞争这把锁的时候，zk会按顺序给不同的客户端创建一个临时子节点，挂在作为分布式锁的节点下面。

  • 假设第一个来到的客户端为A，第二个来到的是B，分布式锁节点下挂的第一个节点就是A（/lock/_c_A），B（/lock/_c_B）紧跟着A，且B会监听着A的生命状态；

    • 这里B会先获取到/lock路径下所有的节点，发现自己的锁节点（/lock/_c_B）不在第一位，进而监听自己前一位的锁节点（/lock/_c_A）。

  • 当A释放锁后A节点会被删除；B监听到A被删除，B可以尝试获得分布式锁了。

    • 具体体现为：客户端B获取/lock下的所有子节点，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，代表取锁成功。

    • 如果还有C节点、D节点，他们都只会监听他们前一个节点，即：C监听B、D监听C。

2、Zookeeper分布式锁解决的问题

1> 锁无法释放？

  • 使用Zookeeper可以有效的解决锁无法释放的问题，因为在创建锁的时候，客户端会在ZK中创建一个临时节点，一旦客户端获取到锁之后突然挂掉（Session连接断开），那么这个临时节点就会自动删除掉。其他客户端就可以再次获得锁。

2> 互斥阻塞锁？

  • 使用Zookeeper可以实现阻塞的锁，客户端可以通过在ZK中创建顺序节点，并且在节点上绑定监听器，一旦节点有变化，Zookeeper会通知客户端，客户端可以检查自己创建的节点是不是当前所有节点中序号最小的，如果是，那么自己就获取到锁，便可以执行业务逻辑了。

3> 不可重入？

  • 使用Zookeeper也可以有效的解决不可重入的问题，客户端在创建节点的时候，把当前客户端的主机信息和线程信息直接写入到节点中，下次想要获取锁的时候和当前最小的节点中的数据比对一下就可以了。如果和自己的信息一样，那么自己直接获取到锁，如果不一样就再创建一个临时的顺序节点，参与排队。

4> 单点问题？

  • 使用Zookeeper可以有效的解决单点问题，ZK是集群部署的，只要集群中有半数以上的机器存活，就可以对外提供服务。

3、Zookeeper分布式锁优缺点？

1> 优点？

  • 有效的解决单点问题，不可重入问题，非阻塞问题以及锁无法释放的问题。实现起来较为简单。
  • zookeeper的锁天生是公平锁 根据创建临时节点的顺序。

2> 缺点？

  • 性能上不如使用缓存实现分布式锁。
    • 因为每次在创建锁和释放锁的过程中，都要动态创建、销毁瞬时节点来实现锁功能。
    • ZK中创建和删除节点只能通过Leader服务器来执行，然后将数据同不到所有的Follower机器上。
  • 加锁不管成功还是失败的第一步是先创建临时节点 这样如果加锁的过多 会对zookeeper的存储压力过大。

四、InterProcessMute实现分布式锁原理

InterProcessMute首先是一个互斥锁，其次是依赖Zookeeper临时顺序节点实现的分布式锁；对于锁而言，最重要的是保护临界区，让多个线程对临界区的访问互斥；InterProcessMute依赖Zookeeper临时顺序节点的有序性实现分布式环境下互斥，依赖JVM层面的synchronized实现节点监听的互斥（防止羊群效应）。

InterProcessMute的acquire()方法用于获取锁，release()方法用于释放锁。

以如下测试类为例，展开源码分析：

public class LockTest {
    public static void main(String[] args) {
        //重试策略,定义初试时间3s,重试3次
        ExponentialBackoffRetry exponentialBackoffRetry = new ExponentialBackoffRetry(3000, 3);

        //初始化客户端
        CuratorFramework client = CuratorFrameworkFactory.builder()
                .connectString("127.0.0.1:2181")
                .sessionTimeoutMs(3000)
                .connectionTimeoutMs(3000)
                .retryPolicy(exponentialBackoffRetry)
                .build();
        // start()开始连接，没有此会报错
        client.start();
        //利用zookeeper的类似于文件系统的特性进行加锁  第二个参数指定锁的路径
        InterProcessMutex interProcessMutex = new InterProcessMutex(client, "/lock");

        try {
            //加锁
            interProcessMutex.acquire();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取锁成功");
            Thread.sleep(60_000);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                //释放锁
                interProcessMutex.release();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放锁成功");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

1、加锁流程（acquire()方法）

InterProcessMutex#acquire()方法：

在这里插入图片描述

acquire()方法中直接调用internalLock()方法以不加锁成功就一直等待的方式加锁；
如果加锁出现异常，则直接抛出IOException。

0）加锁流程图

在这里插入图片描述

1）internalLock()

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
    */

    // 当前线程
    Thread currentThread = Thread.currentThread();

    // 当前线程持有的锁信息
    LockData lockData = threadData.get(currentThread);
    if ( lockData != null )
    {
        // 可重入，lockCount +1；
        // 此处只在本地变量变化了，没发生任何网络请求；对比redisson的分布式锁可重入的实现是需要操作redis的
        lockData.lockCount.incrementAndGet();
        return true;
    }

    // 进行加锁，继续往里跟
    String lockPath = internals.attemptLock(time, unit, getLockNodeBytes());
    if ( lockPath != null )
    {
        // 加锁成功
        LockData newLockData = new LockData(currentThread, lockPath);
        // 放入map
        threadData.put(currentThread, newLockData);
        return true;
    }

    return false;
}

internalLock()方法有两个入参：long类型的time 和 TimeUnit类型的 unit 共同表示加锁的超时时间。

一个InterProcessMutex在同一个JVM中可以由多个线程共同操作，因为其可重入性体现在JVM的线程层面，所以其维护了一个Map类型的变量threadData：

private final ConcurrentMap<Thread, LockData> threadData = Maps.newConcurrentMap();

用于记录每个线程持有的锁信息；锁信息采用LockData表示；

LockData

LockData是InterProcessMutex的静态内部类，其仅有三个变量：持有锁的线程、锁路径、锁重入的次数；

private static class LockData {
    // 持有锁的线程
    final Thread owningThread;
    // 锁的路径
    final String lockPath;
    // 重入锁的次数
    final AtomicInteger lockCount = new AtomicInteger(1);

    private LockData(Thread owningThread, String lockPath)
    {
        this.owningThread = owningThread;
        this.lockPath = lockPath;
    }
}

internalLock()方法逻辑

  1. 根据当前线程从InterProcessMutex的threadData变量中获取当前线程持有的锁信息；
    • 如果已经持有锁，说明是JVM层面的锁重入，则直接对LockData.lockCount + 1，然后返回加锁成功。
    • 锁重入的过程是没有产生任何网络请求的；而Redisson分布式锁可重入的实现是需要每次都操作Redis的。
  2. 如果未持有锁，则尝试加锁；
    • 加锁逻辑体现在LockInternals#attemptLock()方法中；
    • 加锁成功，则将加锁的路径和当前线程一起封装为锁数据LockData，以线程为key，LockData为value，作为键值对加入到threadData中；并返回加锁成功
    • 加锁失败，则直接返回加锁失败。

2）LockInternals#attemptLock() --> 尝试加锁

String attemptLock(long time, TimeUnit unit, byte[] lockNodeBytes) throws Exception {
    final long startMillis = System.currentTimeMillis();
    // 将时间统一格式化ms
    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 {
            // 创建临时有序节点
            ourPath = driver.createsTheLock(client, path, localLockNodeBytes);
            // 判断是否为第一个节点 如果是表明加锁成功。跟进去
            hasTheLock = internalLockLoop(startMillis, millisToWait, ourPath);
        } catch (KeeperException.NoNodeException e) {
            // 重试机制
            // 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;
}

attemptLock()方法有三个入参：long类型的time 和 TimeUnit类型的 unit 共同表示尝试加锁的超时时间，字节数组类型的lockNodeBytes表示锁路径对应的节点值。

通过InterProcessMutex#internalLock()方法进入到attemptLock()方法时，lockNodeBytes为null，即：不给锁路径对应的节点赋值。
在这里插入图片描述

尝试加锁逻辑：

  1. 首先尝试加锁是支持重试机制的；尝试加锁的返回值为加锁成功的锁路径，如果加锁未成功则返回null。
  2. 通过锁驱动器LockInternalsDriver直接创建Zookeeper的临时有序节点，并返回节点路径；
    • 具体逻辑体现在StandardLockInternalsDriver#createsTheLock()方法中；
  3. 判断节点路径是否为第一个节点，如果是，表明加锁成功；否则等待Watcher唤醒。
    • 具体逻辑体现在internalLockLoop()方法中；

1> StandardLockInternalsDriver#createsTheLock() --> 创建临时有序节点

为什么LockInternalsDriver接口的实现是StandardLockInternalsDriver？

  • 因为在LockInternals构造器被调用时，传入的LockInternalsDriver是StandardLockInternalsDriver。
    在这里插入图片描述

createsTheLock()方法：

@Override
public String createsTheLock(CuratorFramework client, String path, byte[] lockNodeBytes) throws Exception
{
    String ourPath;
    if ( lockNodeBytes != null )
    {
        ourPath = client.create().creatingParentContainersIfNeeded().withProtection().withMode(CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL).forPath(path, lockNodeBytes);
    }
    else
    {
        ourPath = client.create().creatingParentContainersIfNeeded().withProtection().withMode(CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL).forPath(path);
    }
    return ourPath;
}

方法中会级联创建锁路径，即：锁路径的父路径不存在时，会一级一级的创建，而不是像原生的zookeeper create命令一样报错–父路径不存在。

2> 判断刚创建的锁路径是否为第一个节点

LockInternals#internalLockLoop()方法：

private boolean internalLockLoop(long startMillis, Long millisToWait, String ourPath) throws Exception {
    boolean haveTheLock = false;
    boolean doDelete = false;
    try {
        // debug进不去，暂时忽略
        if (revocable.get() != null) {
            client.getData().usingWatcher(revocableWatcher).forPath(ourPath);
        }

        // 获取锁成功才会退出这个while  或者客户端状态不正常
        while ((client.getState() == CuratorFrameworkState.STARTED) && !haveTheLock) {
            // 获取所有子节点（网络IO访问Zookeeper） 并排好序
            List<String> children = getSortedChildren();
            String sequenceNodeName = ourPath.substring(basePath.length() + 1); // +1 to include the slash

            /**
             * 判断是否为第一个节点
             *     返回值predicateResults中的getsTheLock()表示加锁是否成功；
             *     pathToWatch()表示加锁失败后监听的节点
             */
            PredicateResults predicateResults = driver.getsTheLock(client, children, sequenceNodeName, maxLeases);
            if (predicateResults.getsTheLock()) {
                // 当前节点是第一个节点  加锁成功  退出while循环
                haveTheLock = true;
            } else {
                // 监听上一个节点 getPathToWatch()返回的就是自己前面的节点
                String previousSequencePath = basePath + "/" + predicateResults.getPathToWatch();

                // 这里加互斥锁的对象和Watcher唤醒的对象是一样的
                synchronized (this) {
                    try {
                        /**
                         * 监听前一个节点，watcher里面会进行唤醒；
                         *     这里只会监听前一个节点，防止羊群效应。这块对比redisson是使用pubsub 唤醒全部节点
                         */
                        // use getData() instead of exists() to avoid leaving unneeded watchers which is a type of resource leak
                        client.getData().usingWatcher(watcher).forPath(previousSequencePath);
                        if (millisToWait != null) {
                            millisToWait -= (System.currentTimeMillis() - startMillis);
                            startMillis = System.currentTimeMillis();
                            if (millisToWait <= 0) {
                                doDelete = true;    // timed out - delete our node
                                break;
                            }

                            // 加锁的时间限制
                            wait(millisToWait);
                        } else {
                            // 加锁没有时间限制，则一直等待
                            wait();
                        }
                    } catch (KeeperException.NoNodeException e) {
                        // it has been deleted (i.e. lock released). Try to acquire again
                    }
                }
            }
        }
    } catch (Exception e) {
        ThreadUtils.checkInterrupted(e);
        doDelete = true;
        throw e;
    } finally {
        // 加锁超时 或 加锁异常 后删除当前节点
        if (doDelete) {
            deleteOurPath(ourPath);
        }
    }
    return haveTheLock;
}

internalLockLoop()方法逻辑：

  1. 当zookeeper Client状态正常时，while循环中尝试获取锁。
  2. 获取所有子节点（网络IO访问Zookeeper） 并排好序，然后减去Znode有序节点的前缀，判断当前节点是否为第一节点；
    • 如果是，则获取锁成功，直接返回。
    • 如果不是，则说明获取锁失败，进而在synchronized中互斥的监听当前节点的前一个节点，防止羊群效应、JVM中多个加锁失败的节点监听同一个节点。
      如果加锁有时间限制，则等待指定时间，超时后删除当前节点，加锁出现异常也会删除当前节点。如果加锁没有时间限制，则一直等待，直到加锁成功。

此外，StandardLockInternalsDriver#getsTheLock()方法负责判断当前节点是否为第一个节点、如果当前节点不是第一个节点，当前节点应该监听哪一个节点；

@Override
public PredicateResults getsTheLock(CuratorFramework client, List<String> children, String sequenceNodeName, int maxLeases) throws Exception {
    // 查看当前节点在所有有序节点中的位置
    int ourIndex = children.indexOf(sequenceNodeName);
    // 校验节点位置不能 < 0
    validateOurIndex(sequenceNodeName, ourIndex);

    // maxLeases为1，如果节点是顺序节点中的第一个，表示可以获取到锁，maxLeases为1
    boolean getsTheLock = ourIndex < maxLeases;
    // 如果获取不到锁，pathToWatch赋值为当前节点的前一个节点，即：Watcher去监听当前节点的前一个节点
    String pathToWatch = getsTheLock ? null : children.get(ourIndex - maxLeases);

    return new PredicateResults(pathToWatch, getsTheLock);
}

3）监听器的运作

获取锁失败监听当前节点的前一个节点时，会针对LockInternals类加互斥锁，然后挂起线程；等到相应事件触发监听器时，需要调用notify()唤醒这个线程；

private final Watcher watcher = new Watcher() {
    @Override
    public void process(WatchedEvent event) {
        // 收到监听的事件之后进行唤醒，唤醒的对象和synchronized的对象是同一个
        client.postSafeNotify(LockInternals.this);
    }
};

// CuratorFramework类的方法
default CompletableFuture<Void> postSafeNotify(Object monitorHolder)
    {
        return runSafe(() -> {
            synchronized(monitorHolder) {
                // 唤醒wait的线程  注意此处是全部唤醒  去检查自己是不是第一个节点
                monitorHolder.notifyAll();
            }
        });
    }

Watcher的实现并没有判断事件是什么，而是直接调用client.postSafeNotify()方法，进而调用给定对象（LockInternals）的notifyAll()方法唤醒所有挂起的线程；

之前获取锁失败用于挂起线程的wait()，也是在LockInternals.this对象上调用的，这样JVM层面的互斥锁就对上了。

挂起的线程被Watcher唤醒之后，会回到LockInternals#internalLockLoop()方法继续while循环，判断当前节点是否为第一个节点，进而决定获取分布式锁是否成功。

2、解锁流程（release()方法）

0）解锁流程图

在这里插入图片描述

1）文字描述

InterProcessMutex#release()方法：

@Override
public void release() throws Exception {
    Thread currentThread = Thread.currentThread();
    LockData lockData = threadData.get(currentThread);
    // 当前线程未持有锁，则抛出异常
    if (lockData == null) {
        throw new IllegalMonitorStateException("You do not own the lock: " + basePath);
    }

    int newLockCount = lockData.lockCount.decrementAndGet();
    // 当前线程持有锁，并且持有多次，持有锁次数 - 1
    if (newLockCount > 0) {
        // 表示锁重入，不直接删除节点
        return;
    }
    // 线程当前持有锁数量 < 0，抛出异常（理论上不会出现这种情况）
    if (newLockCount < 0) {
        throw new IllegalMonitorStateException("Lock count has gone negative for lock: " + basePath);
    }
    try {
        // 释放锁：删除临时节点，删除watch
        internals.releaseLock(lockData.lockPath);
    } finally {
        // 从threadData中移除当前线程持有锁的信息
        threadData.remove(currentThread);
    }
}

释放锁的逻辑很简单：

  1. 当前线程未持有锁，则抛出异常IllegalMonitorStateException；
  2. 当前线程持有锁，并且持有多次，持有锁次数 - 1；
  3. 线程当前持有锁数量 < 1，抛出异常IllegalMonitorStateException（理论上不会出现这种情况）；
  4. 如果持有的锁次数为1，则释放锁：删除临时节点，删除watch；从threadData中移除当前线程持有锁的信息；

五、总结

加锁实现：

  1. 向Zookeeper中添加顺序临时节点
  2. 根据顺序节点的序号，判断当前线程创建的临时节点是否是第一个，是则获取锁成功，否则Watcher前一个节点，挂起线程。
  3. 前一个节点获取到锁并释放锁之后，当前节点所在线程被唤醒，获取到锁，加锁成功

解锁实现

  • 当前线程未持有锁，则抛出异常IllegalMonitorStateException；
  • 当前线程持有锁，并且持有多次，持有锁次数 - 1；
  • 线程当前持有锁数量 < 1，抛出异常IllegalMonitorStateException（理论上不会出现这种情况）；
  • 如果持有的锁次数为1，则释放锁：删除临时节点，删除watch；从threadData中移除当前线程持有锁的信息；

网络IO次数

整个加锁过程：

  • 锁重入，不会访问ZK；
  • 加锁成功，会访问两次ZK：创建临时有序节点、获取锁路径的所有子节点；
  • 加锁失败，会访问3次ZK：创建临时有序节点、获取锁路径的所有子节点、对上一节点节点创建Watcher。

整个解锁过程：

  • 锁重入，不会访问ZK；
  • 正常释放锁，会访问两次ZK：删除当前节点路径的监听器、删除当前节点路径

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