分布式锁与实现(二)—基于 zookeeper 实现

目前几乎很多大型网站及应用都是分布式部署的，分布式场景中的数据一致性问题一直是一个比较重要的话题。分布式的CAP理论告诉我们“任何一个分布式系统都无法同时满足一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分区容错性（Partition tolerance），最多只能同时满足两项。”所以，很多系统在设计之初就要对这三者做出取舍。在互联网领域的绝大多数的场景中，都需要牺牲强一致性来换取系统的高可用性，系统往往只需要保证“最终一致性”，只要这个最终时间是在用户可以接受的范围内即可。在很多场景中，我们为了保证数据的最终一致性，需要很多的技术方案来支持，比如分布式事务、分布式锁等。

什么是分布式锁
分布式锁一般用在分布式系统或者多个应用中，用来控制同一任务是否执行或者任务的执行顺序。在项目中，部署了多个tomcat应用，在执行定时任务时就会遇到同一任务可能执行多次的情况，我们可以借助分布式锁，保证在同一时间只有一个tomcat应用执行了定时任务。

分布式锁有那些实现方案

1.使用数据库实现分布式锁（不推荐使用）
缺点:效率低，性能差、线程出现异常时，容易出现死锁。
2.使用redis实现分布式锁
缺点:锁的失效时间难控制、容易产生死锁、非阻塞式、不可重入。
3.使用zookeeper实现分布式锁
实现相对简单、可靠性强、使用临时节点，失效时间容易控制。
4.springcloud内置实现全局锁
比较冷门，但是效率最高，实现简单，失效时间容易控制。

应用场景
分布式锁主要用于在分布式环境中保护跨进程、跨主机、跨网络的共享资源实现互斥访问，以达到保证数据的一致性。

实现原理
利用Zookeeper来实现分布式锁，主要基于其临时(或临时有序)节点和watch机制。

架构分析

实现思路和流程
1、在zookeeper指定节点（locker）下创建临时顺序节点node_n。
2、获取locker下所有子节点children。
3、对子节点按节点自增序号从小到大排序。
4、判断本节点是不是第一个子节点，若是，则获取锁；若不是，则等待。
5、使用zookeeper感知节点的功能，对本节点的上一个节点进行感知。
6、当上一个节点被删除了，zookeeper会通知该线程，该线程就结束等待，并获取锁。
7、释放锁，并删除该临时节点。

具体实现代码
下面就具体使用java和zookeeper实现分布式锁，操作zookeeper使用的是apache提供的zookeeper的包。

分布式锁类

import org.apache.zookeeper.*;
import org.apache.zookeeper.data.Stat;

import java.io.IOException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;

/**
 * Lock：Java的锁接口，并实现该接口的抽象方法
 * Watcher：zookeeper的节点感知接口，并实现process方法，当节点有改变时，会调用该方法
 */
public class DistributedLock  implements Lock, Watcher {


    private ZooKeeper zk = null;
    // 根节点
    private String ROOT_LOCK = "/locker";
    // 竞争的资源
    private String lockName;
    // 等待的前一个锁
    private String WAIT_LOCK;
    // 当前锁
    private String CURRENT_LOCK;
    // 同步计数器
    private CountDownLatch countDownLatch;
    private int sessionTimeout = 30000;

    /**
     * 配置分布式锁
     * @param config 连接的url
     * @param lockName 竞争资源
     */
    public DistributedLock(String config, String lockName) {
        this.lockName = lockName;
        try {
            // 连接zookeeper
            zk = new ZooKeeper(config, sessionTimeout, this);
            Stat stat = zk.exists(ROOT_LOCK, false);
            if (stat == null) {
                // 如果根节点不存在，则创建根节点
                zk.create(ROOT_LOCK, new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (KeeperException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    // 节点感知器，感知到节点变化会调用该方法
    public void process(WatchedEvent event) {
        System.out.println("感知节点变化类型："+event.getType().name());
        if (this.countDownLatch != null) {
            //如果同步计数器不为null，则减一
            this.countDownLatch.countDown();
        }
    }

    public void lock() {

        try {
            if (this.tryLock()) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + lockName + "获得了锁");
                return;
            } else {
                // 等待锁
                waitForLock(WAIT_LOCK, sessionTimeout);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (KeeperException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public boolean tryLock() {
        try {
            String splitStr = "_lock_";
            if (lockName.contains(splitStr)) {
                throw new RuntimeException("锁名有误");
            }
            // 创建临时有序节点
            CURRENT_LOCK = zk.create(ROOT_LOCK + "/" + lockName + splitStr, new byte[0],
                    ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
            System.out.println(CURRENT_LOCK + " 已经创建");
            // 取所有子节点
            List subNodes = zk.getChildren(ROOT_LOCK, false);
            // 取出所有lockName的锁
            List lockObjects = new ArrayList();
            for (String node : subNodes) {
                String _node = node.split(splitStr)[0];
                if (_node.equals(lockName)) {
                    lockObjects.add(node);
                }
            }
            Collections.sort(lockObjects);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 的锁是 " + CURRENT_LOCK);
            // 若当前节点为最小节点，则获取锁成功
            if (CURRENT_LOCK.equals(ROOT_LOCK + "/" + lockObjects.get(0))) {
                return true;
            }

            // 若不是最小节点，则找到自己的前一个节点
            String prevNode = CURRENT_LOCK.substring(CURRENT_LOCK.lastIndexOf("/") + 1);
            WAIT_LOCK = lockObjects.get(Collections.binarySearch(lockObjects, prevNode) - 1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (KeeperException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return false;
    }

    public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) {
        try {
            if (this.tryLock()) {
                return true;
            }
            return waitForLock(WAIT_LOCK, timeout);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return false;
    }

    // 等待锁
    private boolean waitForLock(String prev, long waitTime) throws KeeperException, InterruptedException {

        //获取并感知上一个节点
        Stat stat = zk.exists(ROOT_LOCK + "/" + prev, true);

        if (stat != null) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等待锁 " + ROOT_LOCK + "/" + prev);
            //初始化同步计数器，计数为1，当同步计数器为0，主线程才会向下执行
            this.countDownLatch = new CountDownLatch(1);
            // 计数等待，若等到前一个节点消失，则precess中进行countDown，停止等待，获取锁
            this.countDownLatch.await(waitTime, TimeUnit.MILLISECONDS);
            this.countDownLatch = null;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 等到了锁");
        }
        return true;
    }

    public void unlock() {
        try {
            System.out.println("释放锁 " + CURRENT_LOCK);
            zk.delete(CURRENT_LOCK, -1);
            CURRENT_LOCK = null;
            zk.close();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (KeeperException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public Condition newCondition() {
        return null;
    }


    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        this.lock();
    }
    
}

测试类

public class Test {

    static int n = 500;

    public static void secskill() {
        System.out.println(--n);
    }

    public static void main(String[] args) {

        Runnable runnable = new Runnable() {
            public void run() {
                DistributedLock lock = null;
                try {
                    lock = new DistributedLock("127.0.0.1:2181", "node");
                    lock.lock();
                    secskill();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在运行");
                } finally {
                    if (lock != null) {
                        lock.unlock();
                    }
                }
            }
        };

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread t = new Thread(runnable);
            t.start();
        }
    }
}