ZooKeeper 實現分布式鎖

1. 前言

在我們的應用中，經常會碰見多個請求去訪問同一個資源的情況。如果請求 A 拿到這個資源數據，想要對它進行修改，但是還沒有進行事務提交，此時請求 B 訪問這個資源就會拿到修改前的數據，很顯然請求 B 拿到的是歷史數據，是不正確的。

在單個服務器的應用中，我們可以使用系統(tǒng)的線程來對這個資源進行加鎖。那么在分布式環(huán)境中我們有什么方案來解決這個問題呢？答案就是使用分布式鎖。那么什么是分布式鎖？分布式鎖又是如何實現的呢？本節(jié)我們就來講解如何使用 Zookeeper 實現分布式鎖，以及它的實現原理。

2. 分布式鎖

在講解 Zookeeper 實現的分布式鎖之前，我們先來了解什么是分布式鎖，分布式鎖的實現技術，以及分布式鎖常用的類型。

2.1 分布式鎖的特點

顧名思義，分布式鎖就是實現在分布式網絡環(huán)境中的鎖。也就是說，在鎖的基礎上加上分布式的特性，我們來分析一下分布式鎖實現的必要條件：

1. 在分布式環(huán)境中，多個進程對資源的訪問必須具有順序性；
2. 獲取鎖和釋放鎖的過程需要高可用和高性能；
3. 具有鎖失效的機制，避免死鎖；
4. 非阻塞的鎖，沒有獲取到鎖直接返回獲取鎖失敗。

介紹了分布式鎖的特點，那么有哪些技術能夠實現分布式鎖呢？

2.2 分布式鎖的實現技術

1. Memcached： 使用 add 命令來添加 key，key 添加成功說明當前無人使用此 key，也就是說無人使用此資源，相當于獲取鎖。再次使用 add 命令來添加相同的 key 時，此時 key 已存在就會添加失敗，說明有人已經使用了這個 key，也就是說此資源被人占用，相當于獲取鎖失??；
2. Redis： 使用 setnx 命令來添加 key，key 添加成功說明當前無人使用此 key，也就是說無人使用此資源，相當于獲取鎖。再次使用 setnx 命令來添加相同的 key 時，此時 key 已存在就會添加失敗，說明有人已經使用了這個 key，也就是說此資源被人占用，相當于獲取鎖失敗；
3. Chubby： Google 使用 Paxos 一致性算法實現的粗粒度分布式鎖；
4. Zookeeper： 使用 Zookeeper 臨時順序節(jié)點的特性，實現分布式鎖和鎖的等待隊列。

介紹了分布式鎖的實現技術，接下來我們來介紹分布式鎖常用的類型。

2.3 分布式鎖常用的類型

分布式鎖常用的類型有兩種：一種是排他鎖，一種是共享鎖。接下來我們分別介紹這兩鎖的特點。

• 排他鎖

排他鎖也叫獨占鎖，顧名思義，也就是對資源進行獨占。排他鎖只允許獲取了該鎖的線程，對具有排他鎖的資源進行訪問，無論是寫操作還是讀操作，直到該線程主動釋放掉排他鎖。

• 共享鎖

共享鎖也就是把資源進行共享，當然共享的只有讀操作。共享鎖只對寫操作進行加鎖，其它線程的讀操作不做加鎖操作，這樣的共享機制提高了對資源訪問的性能。

介紹完分布式鎖的常用類型，接下來我們開始學習如何使用 Zookeeper 實現分布式鎖。

3. Zookeeper 實現分布式鎖

上面我們提到，Zookeeper 是根據它的臨時順序節(jié)點來實現的分布式鎖，這里我們來回顧一下臨時順序節(jié)點的特性。

3.1 臨時順序節(jié)點

臨時順序節(jié)點：

• 節(jié)點具有臨時性，創(chuàng)建該節(jié)點的 Zookeeper 客戶端與 Zookeeper 服務端斷開連接時，該節(jié)點會自動被 Zookeeper 服務端刪除；
• 節(jié)點具有順序性，創(chuàng)建該節(jié)點時，Zookeeper 服務端會根據創(chuàng)建時間的順序在該節(jié)點名稱后面加上順序編號。

回顧了臨時順序節(jié)點的特性，接下來我們就使用 Zookeeper 的 Java 客戶端 Curator 來創(chuàng)建臨時順序節(jié)點，我們可以使用在 Zookeeper Curator 一節(jié)創(chuàng)建的 Spring Boot 測試項目來進行測試。

我們可以在測試類 CuratorDemoApplicationTests 中編寫測試用例：

@SpringBootTest
class CuratorDemoApplicationTests {

    @Autowired
    private CuratorService curatorService;

    @Test
    void contextLoads() throws Exception {
        // 獲取客戶端
        CuratorFramework client = curatorService.getCuratorClient();
        // 開啟會話
        client.start();
        
        // 第一次創(chuàng)建臨時順序節(jié)點
        String s1 = client.create()
            // 如果有父節(jié)點會一起創(chuàng)建
            .creatingParentsIfNeeded()
            // 節(jié)點類型：臨時順序節(jié)點
            .withMode(CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL)
            // 節(jié)點路徑 /wiki
            .forPath("/wiki-");
        // 輸出
        System.out.println(s1);
        
        // 第二次創(chuàng)建臨時順序節(jié)點
        String s2 = client.create()
            // 如果有父節(jié)點會一起創(chuàng)建
            .creatingParentsIfNeeded()
            // 節(jié)點類型：臨時順序節(jié)點
            .withMode(CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL)
            // 節(jié)點路徑 /wiki
            .forPath("/wiki-");
        // 輸出
        System.out.println(s2);
        
        // 關閉客戶端
        client.close();
    }
}

執(zhí)行測試方法，控制臺輸出：

/wiki-0000000000
/wiki-0000000001

我們可以發(fā)現，控制臺一共輸出了兩個 /wiki 節(jié)點，而且每個 /wiki 節(jié)點后面都增加了編號，此時我們去 zkCli 命令行客戶端查看所有節(jié)點，發(fā)現并沒有 /wiki 節(jié)點。因為在我們的測試程序中，我們關閉了客戶端，所以臨時節(jié)點會被移除。

Tips： 如果這里創(chuàng)建失敗，請同學們注意父節(jié)點是否存在 ACL 訪問控制。

回顧了臨時順序節(jié)點，那么如何使用 Zookeeper 的臨時順序節(jié)點來實現分布式鎖呢？接下來我們就開始介紹如何使用 Zookeeper 的臨時順序節(jié)點來控制它們的訪問順序。

3.2 分布式鎖實現

本節(jié)我們來介紹分布式鎖實現的具體步驟：

1. 創(chuàng)建臨時順序節(jié)點： 每一次獲取資源的請求，我們都需要使用 Zookeeper 客戶端創(chuàng)建一個臨時順序節(jié)點，用這個臨時順序節(jié)點在 Zookeeper 服務端中獲取鎖。

2. 獲取鎖： 這里的鎖并不具體指代什么，而是根據 Zookeeper 的臨時順序節(jié)點的順序來決定是否獲取了鎖。如果該節(jié)點的順序編號是最小的，則說明該節(jié)點是排在最前面的，在它之前無人占領資源，也就可以說該節(jié)點獲取了鎖，具有訪問資源的權限。

3. 監(jiān)聽鎖： 如果獲取鎖這一步發(fā)現 Zookeeper 客戶端創(chuàng)建的臨時順序節(jié)點的順序編號不是最小的，也就是在這個臨時順序節(jié)點之前存在其它臨時順序節(jié)點，那么就可以說這個節(jié)點獲取鎖失敗了，它會進入等待隊列。我們可以監(jiān)聽它的前一個節(jié)點，只要它的前一個臨時順序節(jié)點的刪除事件觸發(fā)，我們就可以獲取臨時順序節(jié)點的列表來重新確認這個節(jié)點的順序。

4. 釋放鎖： 當一個請求對資源的操作結束后，我們可以使用 Zookeeper 客戶端的節(jié)點刪除 API 來刪除這個請求創(chuàng)建的臨時順序節(jié)點。除了使用 API 來主動釋放鎖之外，根據臨時順序節(jié)點的特性，當創(chuàng)建這個臨時順序節(jié)點的 Zookeeper 客戶端與 Zookeeper 服務端斷開連接時，這個臨時順序節(jié)點會被 Zookeeper 服務端移除。這兩種方式都會觸發(fā)臨時節(jié)點的刪除事件，讓下一個臨時順序節(jié)點來確認自身的順序。

4. 總結

本節(jié)內容中，我們學習了什么是分布式鎖，以及它的特點和類型，還學習了使用 Zookeeper 實現分布式鎖的主要步驟。以下是本節(jié)內容的總結：

1. 分布式鎖的特點和常用類型。
2. 臨時順序節(jié)點的特性。
3. 使用 Zookeeper 實現分布式鎖的主要步驟。