准备
本文会使用到 三台 独立服务器,可以自行提前搭建好。
不知道如何搭建的,可以看我之前 ZooKeeper集群 搭建:Zookeeper 集群部署的那些事儿
关于ZooKeeper 一些基础命令可以看这篇:Zookeeper入门看这篇就够了
前言
在平时我们对锁的使用,在针对单个服务,我们可以用 Java 自带的一些锁来实现,资源的顺序访问,但是随着业务的发展,现在基本上公司的服务都是多个,单纯的 Lock或者Synchronize 只能解决单个JVM线程的问题,那么针对于单个服务的 Java 的锁是无法满足我们业务的需要的,为了解决多个服务跨服务访问共享资源,于是就有了分布锁,分布式锁产生的原因就是集群。
正文
实现分布式锁的方式有哪些呢?
- 分布式锁的实现方式主要以(ZooKeeper、Reids、Mysql)这三种为主
今天我们主要讲解的是使用 ZooKeeper来实现分布式锁,ZooKeeper的应用场景主要包含这几个方面:
- 服务注册与订阅(共用节点)
- 分布式通知(监听ZNode)
- 服务命令(ZNode特性)
- 数据订阅、发布(Watcher)
- 分布式锁(临时节点)
ZooKeeper实现分布式锁,主要是得益于ZooKeeper 保证了数据的强一致性,锁的服务可以分为两大类:
保持独占
所有试图来获取当前锁的客户端,最终有且只有一个能够成功得到当前锁的钥匙,通常我们会把 ZooKeeper 上的节点(ZNode)看做一把锁,通过 create临时节点的方式来实现,当多个客户端都去创建一把锁的时候,那么只有成功创建了那个客户端才能拥有这把锁
控制时序
所有试图获取锁的客户端,都是被顺序执行,只是会有一个序号(zxid),我们会有一个节点,例如:/testLock,所有临时节点都在这个下面去创建,ZK的父节点(/testLock) 维持了一个序号,这个是ZK自带的属性,他保证了子节点创建的时序性,从而也形成了每个客户端的一个 全局时序
ZK锁机制
在实现ZooKeeper 分布式锁之前我们有必要了解一下,关于ZooKeeper分布式锁机制的实现流程和原理,不然各位宝贝,出去面试的时候怎么和面试官侃侃而谈~
临时顺序节点
基于ZooKeeper的临时顺序节点 ,ZooKeeper比较适合来实现分布式锁:
- 顺序发号器: ZooKeeper的每一个节点,都是自带顺序生成器:在每个节点下面创建临时节点,新的子节点后面,会添加一个次序编号,这个生成的编号,会在上一次的编号进行 +1 操作
- 有序递增: ZooKeeper节点有序递增,可以保证锁的公平性,我们只需要在一个持久父节点下,创建对应的临时顺序节点,每个线程在尝试占用锁之前,会调用watch,判断自己当前的序号是不是在当前父节点最小,如果是,那么获取锁
- Znode监听: 每个线程在抢占所之前,会创建属于当前线程的ZNode节点,在释放锁的时候,会删除创建的ZNode,当我们创建的序号不是最小的时候,会等待watch通知,也就是上一个ZNode的状态通知,当前一个ZNode删除的时候,会触发回调机制,告诉下一个ZNode,你可以获取锁开始工作了
- 临时节点自动删除: ZooKeeper还有一个好处,当我们客户端断开连接之后,我们出创建的临时节点会进行自动删除操作,所以我们在使用分布式锁的时候,一般都是会去创建临时节点,这样可以避免因为网络异常等原因,造成的死锁。
- 羊群效应: ZooKeeper节点的顺序访问性,后面监听前面的方式,可以有效的避免 羊群效应,什么是羊群效应:当某一个节点挂掉了,所有的节点都要去监听,然后做出回应,这样会给服务器带来比较大压力,如果有了临时顺序节点,当一个节点挂掉了,只有它后面的那一个节点才做出反应。
我们现在看一下下面一张图:
在上图中, ZooKeeper里面有一把锁节点 testLock,这个锁就是 ZooKeeper的一个节点,当两个客户端来获取这把锁的时候,会对 ZooKeeper进行加锁的请求,也就是我们所说的 临时顺序节点。
当我们在 /testLock目录下创建了一个顺序临时节点后,ZK会自动对这个临时节点维护 一个节点序号,并且这个节点是递增的,比如我们 clientA 创建了一个临时顺序节点,ZK内部会生成一个序号:/lock0000000001,那么 clientB 也生成了一个临时顺序节点,ZK会生成一个序号为 /lock0000000002,在这里数字都是依次递增的,从1开始递增,ZK内部会维护这个顺序。
下图所示:
这时候,ClientA会进行监听判断,在父节点下,我是不是最小的,如果是的话,那么俺就可以加锁了,因为我是最小的,其他的都比我大。我自己可以进行加锁,你已经是一个成熟的临时节点了,要学会自己加锁。咳,那么ZK是怎么进行判断的呢?宝贝,您往下看:
这个是 cleintA已经加锁完成了,这个时候 clientB也要过来加锁,那么他也要在 /testLock,创建一个属于自己的临时节点,那么这个时候他的序号就会变成 /lock0000000002,如下图所示:
这个时候就会出现我们前面所讲的,clientB 在加锁的时候会判断,自己是不是最小的,一看在当前父节点下不是最小的,啊~我还挺大的,还有比我小的!!!
加锁失败呀,咳咳,这个时候呢,clientB 就会去偷窥clientA,气氛逐渐暧昧起来,啊不是,是按照顺序去监听前一个节点(clientA),是否完成工作了,如果完成了,clientB才可以进行加锁工作,宝贝,你往下看图片:
clientA 加锁成功后,会进行自己的业务处理,当 clientA 处理完工作后,说我完事了,下一个,那么 clientA 是怎么完事的呢,他多长时间?不是,具体流程是怎样的?小农你不对劲,说什么呢!!!真羞涩
上面我们不是说了,当 clientB 加锁失败后,会给前一个节点(clientA)加上一个监听,当clientA被删除以后,就表示有人释放了锁,这个时候就会通知 clientB重新去获取锁。
这个时候clientB重新获取锁的时候,发现自己就是当前父节点下面最小的那个,于是clientB就开始加锁,开始工作等一系列操作,当clientB 完事以后,释放锁,也说了一句,下一个。
如下图所示:
当然除了 clientA、clientB还有C\D\E等,这字母看着好奇怪又好熟悉,原理都是一样的,都是最小节点进行解锁,如果不是,监听前一个节点是否释放,如果释放了,再次尝试加锁。如果前一节节点释放了,自己就是最小了,就排到前面去了,有点类似于 银行取号 的操作。
代码实现
使用ZooKeeper 创建临时顺序节点来实现分布式锁,大体的流程就是 先创建一个持久父节点,在当前节点下,创建临时顺序节点,找出最小的序列号,获取分布式锁,程序业务完成之后释放锁,通知下一个节点进行操作,使用的是watch来监控节点的变化,然后依次下一个最小序列节点进行操作。
首先我们需要创建一个持久父类节点:我这里是 /mxn
WatchCallBack
- importorg.apache.zookeeper.*;
- importorg.apache.zookeeper.data.Stat;
- importjava.util.Collections;
- importjava.util.List;
- importjava.util.concurrent.CountDownLatch;
- /**
- *@program:mxnzookeeper
- *@ClassNameWatchCallBack
- *@description:
- *@author:微信搜索:牧小农
- *@create:2021-10-2310:48
- *@Version1.0
- **/
- publicclassWatchCallBackimplementsWatcher,AsyncCallback.StringCallback,AsyncCallback.Children2Callback,AsyncCallback.StatCallback{
- ZooKeeperzk;
- StringthreadName;
- CountDownLatchcc=newCountDownLatch(1);
- StringpathName;
- publicStringgetPathName(){
- returnpathName;
- }
- publicvoidsetPathName(StringpathName){
- this.pathName=pathName;
- }
- publicStringgetThreadName(){
- returnthreadName;
- }
- publicvoidsetThreadName(StringthreadName){
- this.threadName=threadName;
- }
- publicZooKeepergetZk(){
- returnzk;
- }
- publicvoidsetZk(ZooKeeperzk){
- this.zk=zk;
- }
- /**@Author牧小农
- *@Description//TODO尝试加锁方法
- *@Date16:142021/10/24
- *@Param
- *@return
- **/
- publicvoidtryLock(){
- try{
- System.out.println(threadName+"开始创建。。。。");
- //创建一个顺序临时节点
- zk.create("/lock",threadName.getBytes(),ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL,this,"abc");
- //阻塞当前,监听前一个节点是否释放锁
- cc.await();
- }catch(InterruptedExceptione){
- e.printStackTrace();
- }
- }
- /**@Author牧小农
- *@Description//TODO解锁方法
- *@Date16:142021/10/24
- *@Param
- *@return
- **/
- publicvoidunLock(){
- try{
- //释放锁,删除临时节点
- zk.delete(pathName,-1);
- //结束工作
- System.out.println(threadName+"结束工作了....");
- }catch(InterruptedExceptione){
- e.printStackTrace();
- }catch(KeeperExceptione){
- e.printStackTrace();
- }
- }
- @Override
- publicvoidprocess(WatchedEventevent){
- //如果第一个节点释放了锁,那么第二个就会收到回调
- //告诉它前一个节点释放了,你可以开始尝试获取锁
- switch(event.getType()){
- caseNone:
- break;
- caseNodeCreated:
- break;
- caseNodeDeleted:
- //当前节点重新获取锁
- zk.getChildren("/",false,this,"sdf");
- break;
- caseNodeDataChanged:
- break;
- caseNodeChildrenChanged:
- break;
- }
- }
- @Override
- publicvoidprocessResult(intrc,Stringpath,Objectctx,Stringname){
- if(name!=null){
- System.out.println(threadName+"线程创建了一个节点为:"+name);
- pathName=name;
- //监听前一个节点
- zk.getChildren("/",false,this,"sdf");
- }
- }
- //getChildrencallback
- @Override
-
publicvoidprocessResult(intrc,Stringpath,Objectctx,List
children,Statstat){ - //节点按照编号,升序排列
- Collections.sort(children);
- //对节点进行截取例如/lock0000000022截取后就是lock0000000022
- inti=children.indexOf(pathName.substring(1));
- //是不是第一个,也就是说是不是最小的
- if(i==0){
- //是第一个
- System.out.println(threadName+"现在我是最小的....");
- try{
- zk.setData("/",threadName.getBytes(),-1);
- cc.countDown();
- }catch(KeeperExceptione){
- e.printStackTrace();
- }catch(InterruptedExceptione){
- e.printStackTrace();
- }
- }else{
- //不是第一个
- //监听前一个节点看它是不是完成了工作进行释放锁了
- zk.exists("/"+children.get(i-1),this,this,"sdf");
- }
- }
- @Override
- publicvoidprocessResult(intrc,Stringpath,Objectctx,Statstat){
- //判断是否失败exists
- }
- }
TestLock
- importcom.mxn.zookeeper.config.ZKUtils;
- importorg.apache.zookeeper.ZooKeeper;
- importorg.junit.After;
- importorg.junit.Before;
- importorg.junit.Test;
- /**
- *@program:mxnzookeeper
- *@ClassNameTestLock
- *@description:
- *@author:微信搜索:牧小农
- *@create:2021-10-2310:45
- *@Version1.0
- **/
- publicclassTestLock{
- ZooKeeperzk;
- @Before
- publicvoidconn(){
- zk=ZKUtils.getZK();
- }
- @After
- publicvoidclose(){
- try{
- zk.close();
- }catch(InterruptedExceptione){
- e.printStackTrace();
- }
- }
- @Test
- publicvoidlock(){
- //创建十个线程
- for(inti=0;i<10;i++){
- newThread(){
- @Override
- publicvoidrun(){
- WatchCallBackwatchCallBack=newWatchCallBack();
- watchCallBack.setZk(zk);
- StringthreadName=Thread.currentThread().getName();
- watchCallBack.setThreadName(threadName);
- //线程进行抢锁操作
- watchCallBack.tryLock();
- try{
- //进行业务逻辑处理
- System.out.println(threadName+"开始处理业务逻辑了...");
- Thread.sleep(200);
- }catch(Exceptione){
- e.printStackTrace();
- }
- //释放锁
- watchCallBack.unLock();
- }
- }.start();
- }
- while(true){
- }
- }
- }
运行结果:
- Thread-1线程创建了一个节点为:/lock0000000112
- Thread-5线程创建了一个节点为:/lock0000000113
- Thread-2线程创建了一个节点为:/lock0000000114
- Thread-6线程创建了一个节点为:/lock0000000115
- Thread-9线程创建了一个节点为:/lock0000000116
- Thread-4线程创建了一个节点为:/lock0000000117
- Thread-7线程创建了一个节点为:/lock0000000118
- Thread-3线程创建了一个节点为:/lock0000000119
- Thread-8线程创建了一个节点为:/lock0000000120
- Thread-0线程创建了一个节点为:/lock0000000121
- Thread-1现在我是最小的....
- Thread-1开始处理业务逻辑了...
- Thread-1结束工作了....
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- Thread-5结束工作了....
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- Thread-2结束工作了....
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- Thread-6结束工作了....
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- Thread-4结束工作了....
- Thread-7现在我是最小的....
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- Thread-7结束工作了....
- Thread-3现在我是最小的....
- Thread-3开始处理业务逻辑了...
- Thread-3结束工作了....
- Thread-8现在我是最小的....
- Thread-8开始处理业务逻辑了...
- Thread-8结束工作了....
- Thread-0现在我是最小的....
- Thread-0开始处理业务逻辑了...
- Thread-0结束工作了....
总结
ZK分布式锁,能够有效的解决分布式、不可重入的问题,在上面的案例中我, 没有实现可重入锁,但是实现起来也不麻烦,只需要带上线程信息等唯一标识,判断一下就可以了
ZK实现分布式锁具有天然的优势,临时顺序节点,可以有效的避免死锁问题,让客户端断开,那么就会删除当前临时节点,让下一个节点进行工作。
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