实战 -- Zookeeper实现分布式锁

作者：小蓝xlanll | 2024-05-24 02:25:07

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场景分析

比如购买商品的操作，首先获取商品的库存，判断库存是否充足，充足的话创建订单减库存，不充足的话不允许创建订单。

有一款新型笔记本电脑，库存只剩下1件的时候，有客户A、B从不同的客户端（比如网站和APP）上看中了这款电脑，两人同时进行下单操作。

A和B同时获取库存，A购买1件，库存为1，判断充足，创建订单，库存减1，B购买1件，库存为1，判断充足，创建订单，库存减1。

结果是仅剩1件的商品，被两次下单，库存变成了-1。显然这种结果是错误的，A和B之间有一人的订单无法发货。

如何解决呢

可以用一个锁，A在下单的时候，给库存加上一个锁，此时除了A以外，任何人都不能对库存进行操作，B在获取库存的时候，由于A对库存加上了锁，所以B只好等待A释放锁之后在继续。

A创建完订单，对库存减1，释放锁，B获取锁再继续获取库存，此时库存为0，判断库存不充足，无法创建订单。保证了库存仅剩1的商品只能被下单1次。

这是分布式锁实现的一种方案。

什么是分布式锁

分布式锁，是控制分布式系统或不同系统之间访问共享资源的一种锁的实现，其主要解决的问题就是保证数据一致性。

Zookeeper实现的分布式锁，是利用节点的操作来进行的，加锁，就是创建节点（临时节点），解锁就是删除节点，同一个业务都是在同一父节点下进行加锁和解锁操作，如果该业务父节点下有子节点，则说明该业务已经被锁住了，如果没有子节点，则没被加锁。

临时节点的特点是，当会话失效时，Zookeeper自动清除，避免获取锁的客户端掉线后，没有删除锁节点，而其他客户端都在等这个锁节点删除，产生了死锁。

实现分布式锁的两种方式

一、单节点锁

在某一业务节点，只允许创建1个子节点，代表锁，所有客户端争抢创建子节点权限，抢到并创建，则加锁成功，没抢到，则等待机会。如图所示：

客户端准备加锁的时候，查看该业务节点下有没有子节点，如果没有，则创建节点，此客户端获得锁，执行业务操作。
如果存在子节点，则代表当前业务被加锁，此时客户端挂起，监听业务节点的子节点变化
客户端获取锁并执行完业务之后，删除该节点，Zookeeper通知其他客户端，唤醒挂起，继续尝试创建节点。

二、多节点锁

在单节点锁中，所有客户端都操作同一个节点，当只有锁的客户端释放锁时，其他的客户端都从挂起状态中唤醒，来竞争锁。谁先获取锁与客户端的网络状态和Zookeeper的服务器CPU调度等不可控因素有关，和谁先来后到的无关。

如果希望客户端能按照先来后到的顺序来获取锁，就需要用多节点锁来实现，即每个客户端在同一业务节点下创建专属自己的顺序节点，按照顺序节点的序号，来决定谁获取锁。如图：

多节点锁

某个客户端尝试加锁时，先在该业务节点下，创建一个顺序节点
创建完成后，获取出该业务节点下的所有子节点，并按照按照节点序号排序
判断第一位的节点是否为自己的节点，是的话，代表获取锁，执行业务操作
不是的话，对排在自己前一位的节点进行监听，客户端挂起
当客户端执行业务完毕后，删除自己的节点，并通知监听自己节点的客户端进行业务操作。

多节点代码实现

类设计如下

BusinessTypeEnum枚举，定义了业务的类型，用来区分不同业务，如果要对某个业务加锁，就在BusinessTypeEnum定义的业务类型下创建节点
CuatorExt接口，操作Zookeeper的客户端，定义了一些操作方法
AbstractCuatorExt类，客户端CuatorExt接口方法的实现，规范了客户端基本结构
BaseDistributedLock类，继承了AbstractCuatorExt，分布式锁实现的核心，规范了分布式锁结构，对它的子类公开获取锁的方法。
DistributedLock接口，分布式锁对外公开的接口，提供获取锁和释放锁两种功能。
DistributedLockImpl类是对DistributedLock接口的实现
BuyService类，业务类。

BusinessTypeEnum


public enum  BusinessTypeEnum {
    items("/items"),
    orders("/orders");
    private String value;
    BusinessTypeEnum(String value){
        this.value = value;
    }
 
    public String getValue() {
        return value;
    }
}

CuatorExt


public interface CuatorExt {
    /**
     * 创建临时序列节点
     * @param basePath
     * @return
     */
    public String createEphemeralSequential(String basePath) throws Exception;
 
    /**
     * 删除节点
     * @param ourPath
     */
    public void delete(String ourPath) throws Exception;
 
    /**
     * 获取子节点
     * @param basePath
     * @return
     */
    public List<String> getChildren(String basePath) throws Exception;
 
}

BaseDistributedLock


public class BaseDistributedLock extends AbstractCuatorExt {
    private static final String NAME_SPACE="lock_namespace";
    private static final String DISTRIBUTED_LOCK = "/lock-";
    BaseDistributedLock(CuratorFramework client) {
        super(client);
    }
    private static final Integer MAX_RETRY_COUNT = 10;//重试次数
    public void init(){
        this.client = this.client.usingNamespace(NAME_SPACE);
        for(BusinessTypeEnum b : BusinessTypeEnum.values()){
            try {
                if(this.client.checkExists().forPath(b.getValue())==null){
                    this.client.create().creatingParentsIfNeeded().withMode(CreateMode.PERSISTENT).withACL(ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE).forPath(b.getValue());
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
 
    /**
     * 获取锁，并设置超时时间
     * @param time
     * @param timeUnit 
     * @param businessType
     * @return
     * @throws Exception
     */
    protected String attemptLock(long time, TimeUnit timeUnit, BusinessTypeEnum businessType) throws Exception {
        boolean goDone = false;
        String ourPath = null;
        String lockName = null;
        long startMillis = System.currentTimeMillis();
        int count = 0;
        while (!goDone) {
            goDone = true;
            try {
                ourPath = createEphemeralSequential(businessType.getValue()+DISTRIBUTED_LOCK);
                lockName = waitToLock(startMillis, time, timeUnit, businessType, ourPath);
            } catch (Exception e) {
                if (count++ < MAX_RETRY_COUNT) {
                    goDone = false;
                } else {
                    throw e;
                }
            }
        }
        return lockName;
    }
 
    private String waitToLock(long startMillis, long time, TimeUnit timeUnit, BusinessTypeEnum businessType, String ourPath) throws Exception {
        boolean haveLock = false;
        String lockName = null;
        Long waitMillis = timeUnit == null ? null : timeUnit.toMillis(time);
        boolean doDelete = false;
        try {
            while (!haveLock) {
                List<String> children = getChildrenAndSortThem(businessType.getValue());
                int index = children.indexOf(ourPath.substring(( businessType.getValue() + "/").length()));
                if (index < 0) {
                    throw new Exception("无此节点：" + ourPath);
                }
                if (index == 0) {
                    haveLock = true;
                    lockName = ourPath;
                } else {
                    String frontPath = children.get(index-1);
                    CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
                    getClient().getData().usingWatcher(new CuratorWatcher() {
                        @Override
                        public void process(WatchedEvent watchedEvent) throws Exception {
                            countDownLatch.countDown();
                            lg.info(frontPath + "完成");
                        }
                    }).forPath(businessType.getValue()+"/"+frontPath);
                    if(waitMillis!=null){
                        waitMillis = System.currentTimeMillis() -  startMillis;
                        if(waitMillis>0){
                            lg.info(ourPath + "等待" + frontPath + "完成");
                            countDownLatch.await(waitMillis,timeUnit);
                        }else{
                            throw new Exception(ourPath+"等待超时");
                        }
                    }else{
                        lg.info(ourPath + "等待" + frontPath + "完成");
                        countDownLatch.await();
                    }
                    startMillis = System.currentTimeMillis();
                }
            }
        } catch (Exception e) {
            doDelete = true;
            throw e;
        }finally {
            if(doDelete){
                delete(ourPath);
            }
        }
        return lockName;
    }
 
    private List<String> getChildrenAndSortThem(String basePath) {
        List<String> children = null;
        try {
            children = getChildren(basePath);
            Collections.sort(children, new Comparator<String>() {
                @Override
                public int compare(String o1, String o2) {
                    return getLockNumber(o1, basePath.length()) - getLockNumber(o2, basePath.length());
                }
 
            });
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return children;
    }
 
    private int getLockNumber(String node, int suff) {
        node = node.substring(suff);
        return Integer.parseInt(node);
    }
}

AbstractCuatorExt


public class AbstractCuatorExt implements CuatorExt {
    final static Logger lg = LoggerFactory.getLogger(AbstractCuatorExt.class);
    public CuratorFramework client;
    AbstractCuatorExt(CuratorFramework client){
        this.client = client;
    }
 
    public CuratorFramework getClient() {
        return client;
    }
 
    @Override
    public String createEphemeralSequential(String basePath) throws Exception {
        String o = this.client.create().creatingParentsIfNeeded().withMode(CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL).withACL(ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE).forPath(basePath);
        return o;
    }
 
    @Override
    public void delete(String ourPath) throws Exception {
        this.client.delete().forPath(ourPath);
    }
 
    @Override
    public List<String> getChildren(String basePath) throws Exception {
        List<String> children = this.client.getChildren().forPath(basePath);
        return children;
    }
}

DistributedLock


/**
 * 分配锁
 */
public  interface DistributedLock {
 
    /**获取锁，如果没有得到就等待*/
    public  String acquire(BusinessTypeEnum businessType)  throws Exception;
 
    /**
     * 获取锁，直到超时
     * @param time 超时时间
     * @param unit time参数的单位
     * @return是否获取到锁
     * @throws Exception
     */
    public String acquire(BusinessTypeEnum businessType,long time, TimeUnit unit)  throws Exception;
 
    /**
     * 释放锁
     * @throws Exception
     */
    public void release(String lockName)  throws Exception;
 
 
}

DistributedLockImpl


public class DistributedLockImpl extends BaseDistributedLock implements DistributedLock {
    DistributedLockImpl(CuratorFramework client) {
        super(client);
    }
 
    @Override
    public String acquire(BusinessTypeEnum businessType) throws Exception {
        return attemptLock(0,null,businessType);
    }
 
    @Override
    public String acquire(BusinessTypeEnum businessType, long time, TimeUnit unit) throws Exception {
        return attemptLock(time,unit,businessType);
    }
 
    @Override
    public void release(String lockName) throws Exception {
        delete(lockName);
    }
}

BuyService


@Service("byService")
public class ByServiceImpl implements BuyService {
    static int i = 0;
    Logger lg = LoggerFactory.getLogger(ByServiceImpl.class);
    @Autowired
    OrderService orderService;
    @Autowired
    ItemService itemService;
    @Autowired
    DistributedLock distributedLock;
    @Override
    public String getLock(String name) {
        lg.info("开始获取锁");
        String lockName = null;
        try {
            lockName = distributedLock.acquire(BusinessTypeEnum.items);
            lg.info(lockName + "进行业务中:");
            Thread.sleep(30000);
            distributedLock.release(lockName);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
 
        lg.info(lockName+"释放完毕");
        return lockName;
    }
}

Spring配置


<bean id="distributedLock" class="xin.youhuila.shopdobbo.web.lock.impl.DistributedLock" init-method="init">
   <constructor-arg ref="client"/>
</bean>
<bean id="retryPolicy" class="org.apache.curator.retry.RetryNTimes">
   <constructor-arg index="0" value="10"/>
   <constructor-arg index="1" value="5000"/>
</bean>
<bean id="client" class="org.apache.curator.framework.CuratorFrameworkFactory" factory-method="newClient" init-method="start">
   <constructor-arg index="0" value="localhost:2181"/>
   <constructor-arg index="1" value="10000"/>
   <constructor-arg index="2" value="5000"/>
   <constructor-arg index="3" ref="retryPolicy"/>
</bean>

效果图

单节点锁代码实现

比较简单，直接看代码吧


public class DistributedLock {
    private CuratorFramework client = null;
    final static Logger lg =LoggerFactory.getLogger(DistributedLockImooc.class);
    private static CountDownLatch zkLocklatch = new CountDownLatch(1);
    private static final String ZK_LOCK_PROJECT = "imooc-locks";
    private static final String DISTRIBUTED_LOCK = "distributed_lock";
 
    public DistributedLockImooc(CuratorFramework client) {
        this.client = client;
    }
    private void init(){
        client = client.usingNamespace("ZKLocks-Namespace");
        try {
            if(client.checkExists().forPath("/".concat(ZK_LOCK_PROJECT))==null){
                client.create().creatingParentsIfNeeded().withMode(CreateMode.PERSISTENT)
                        .withACL(ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE)
                        .forPath("/"+ZK_LOCK_PROJECT);
            }
            addWatcherToLock("/"+ZK_LOCK_PROJECT);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
 
    private void addWatcherToLock(String path) throws Exception {
        final PathChildrenCache cache = new PathChildrenCache(client,path,true);
        cache.start( PathChildrenCache.StartMode.POST_INITIALIZED_EVENT);
        cache.getListenable().addListener(new PathChildrenCacheListener(){
 
            @Override
            public void childEvent(CuratorFramework curatorFramework, PathChildrenCacheEvent event) throws Exception {
                if(event.getType().equals(PathChildrenCacheEvent.Type.CHILD_REMOVED)){
                    String path = event.getData().getPath();
                    lg.info("上一个会话已释放锁或断开"+path);
                    lg.info("释放计数器，让当前请求来获得分布式锁");
                    zkLocklatch.countDown();
 
                }
 
            }
        });
    }
 
    public boolean releaseLock(){
        try {
            if(client.checkExists().forPath("/"+ZK_LOCK_PROJECT+"/"+DISTRIBUTED_LOCK)!=null){
                client.delete().forPath("/"+ZK_LOCK_PROJECT+"/"+DISTRIBUTED_LOCK);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return false;
        }
        lg.info("释放成功");
        return true;
    }
 
    public void getLock(){
        int i = 0;
        while(true){
            try {
                client.create().creatingParentsIfNeeded().withACL(ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE)
                        .forPath("/"+ZK_LOCK_PROJECT+"/"+DISTRIBUTED_LOCK);
                lg.info("获取分布式锁成功");
                return;
            } catch (Exception e) {
                lg.info("获取分布式锁失败");
                try {
                if(zkLocklatch.getCount()<=0){
                    zkLocklatch = new CountDownLatch(1);
                }
                    zkLocklatch.await();
                } catch (InterruptedException e1) {
                    e1.printStackTrace();
                }
                lg.info("第"+i+"尝试此获取锁");
            }
        }
    }
}

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