1. 背景

最近在學(xué)習(xí) Zookeeper，在剛開(kāi)始接觸 Zookeeper 的時(shí)候，完全不知道 Zookeeper 有什么用。且很多資料都是將 Zookeeper 描述成一個(gè)“類 Unix/Linux 文件系統(tǒng)”的中間件，導(dǎo)致我很難將類 Unix/Linux 文件系統(tǒng)的 Zookeeper 和分布式應(yīng)用聯(lián)系在一起。后來(lái)在粗讀了《ZooKeeper 分布式過(guò)程協(xié)同技術(shù)詳解》和《從Paxos到Zookeeper 分布式一致性原理與實(shí)踐》兩本書(shū)，并動(dòng)手寫(xiě)了一些 CURD demo 后，初步對(duì) Zookeeper 有了一定的了解。不過(guò)比較膚淺，為了進(jìn)一步加深對(duì) Zookeeper 的認(rèn)識(shí)，我利用空閑時(shí)間編寫(xiě)了本篇文章對(duì)應(yīng)的 demo –?基于 Zookeeper 的分布式鎖實(shí)現(xiàn)。通過(guò)編寫(xiě)這個(gè)分布式鎖 demo，使我對(duì) Zookeeper 的 watcher 機(jī)制、Zookeeper 的用途等有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。不過(guò)我所編寫(xiě)的分布式鎖還是比較簡(jiǎn)陋的，實(shí)現(xiàn)的也不夠優(yōu)美，僅僅是個(gè)練習(xí)，僅供參考使用。好了，題外話就說(shuō)到這里，接下來(lái)我們就來(lái)聊聊基于 Zookeeper 的分布式鎖實(shí)現(xiàn)。

?2. 獨(dú)占鎖和讀寫(xiě)鎖的實(shí)現(xiàn)

在本章，我將分別說(shuō)明獨(dú)占鎖和讀寫(xiě)鎖詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并配以相應(yīng)的流程圖幫助大家了解實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。這里先說(shuō)說(shuō)獨(dú)占鎖的實(shí)現(xiàn)。

?2.1 獨(dú)占鎖的實(shí)現(xiàn)

獨(dú)占鎖又稱排它鎖，從字面意思上很容易理解他們的用途。即如果某個(gè)操作 O1?對(duì)訪問(wèn)資源 R1?的過(guò)程加鎖，在操作 O1結(jié)束對(duì)資源 R1?訪問(wèn)前，其他操作不允許訪問(wèn)資源 R1。以上算是對(duì)獨(dú)占鎖的簡(jiǎn)單定義了，那么這段定義在 Zookeeper 的“類 Unix/Linux 文件系統(tǒng)”的結(jié)構(gòu)中是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？在鎖答案前，我們先看張圖：

圖1 獨(dú)占鎖的 Zookeeper 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

如上圖，對(duì)于獨(dú)占鎖，我們可以將資源 R1?看做是 lock 節(jié)點(diǎn)，操作 O1?訪問(wèn)資源 R1?看做創(chuàng)建 lock 節(jié)點(diǎn)，釋放資源 R1看做刪除 lock 節(jié)點(diǎn)。這樣我們就將獨(dú)占鎖的定義對(duì)應(yīng)于具體的 Zookeeper 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，通過(guò)創(chuàng)建 lock 節(jié)點(diǎn)獲取鎖，刪除節(jié)點(diǎn)釋放鎖。詳細(xì)的過(guò)程如下：

多個(gè)客戶端競(jìng)爭(zhēng)創(chuàng)建 lock 臨時(shí)節(jié)點(diǎn)

其中某個(gè)客戶端成功創(chuàng)建 lock 節(jié)點(diǎn)，其他客戶端對(duì) lock 節(jié)點(diǎn)設(shè)置 watcher

持有鎖的客戶端刪除 lock 節(jié)點(diǎn)或該客戶端崩潰，由 Zookeeper 刪除 lock 節(jié)點(diǎn)

其他客戶端獲得 lock 節(jié)點(diǎn)被刪除的通知

重復(fù)上述4個(gè)步驟，直至無(wú)客戶端在等待獲取鎖了

上面即獨(dú)占鎖具體的實(shí)現(xiàn)步驟，理解起來(lái)并不復(fù)雜，這里不再贅述。

圖2 獲取獨(dú)占鎖流程圖

?2.2 讀寫(xiě)鎖的實(shí)現(xiàn)

說(shuō)完獨(dú)占鎖的實(shí)現(xiàn)，這節(jié)來(lái)說(shuō)說(shuō)讀寫(xiě)鎖的實(shí)現(xiàn)。讀寫(xiě)鎖包含一個(gè)讀鎖和寫(xiě)鎖，操作 O1?對(duì)資源 R1?加讀鎖，且獲得了鎖，其他操作可同時(shí)對(duì)資源 R1?設(shè)置讀鎖，進(jìn)行共享讀操作。如果操作 O1?對(duì)資源 R1?加寫(xiě)鎖，且獲得了鎖，其他操作再對(duì)資源 R1?設(shè)置不同類型的鎖都會(huì)被阻塞。總結(jié)來(lái)說(shuō)，讀鎖具有共享性，而寫(xiě)鎖具有排他性。那么在 Zookeeper 中，我們可以用怎樣的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上面的操作呢？

圖3 讀寫(xiě)鎖的 Zookeeper 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

在 Zookeeper 中，由于讀寫(xiě)鎖和獨(dú)占鎖的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)不同，讀寫(xiě)鎖的客戶端不用再去競(jìng)爭(zhēng)創(chuàng)建 lock 節(jié)點(diǎn)。所以在一開(kāi)始，所有的客戶端都會(huì)創(chuàng)建自己的鎖節(jié)點(diǎn)。如果不出意外，所有的鎖節(jié)點(diǎn)都能被創(chuàng)建成功，此時(shí)鎖節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。之后，客戶端從 Zookeeper 端獲取 /share_lock 下所有的子節(jié)點(diǎn)，并判斷自己能否獲取鎖。如果客戶端創(chuàng)建的是讀鎖節(jié)點(diǎn)，獲取鎖的條件（滿足其中一個(gè)即可）如下：

自己創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)序號(hào)排在所有其他子節(jié)點(diǎn)前面

自己創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)前面無(wú)寫(xiě)鎖節(jié)點(diǎn)

如果客戶端創(chuàng)建的是寫(xiě)鎖節(jié)點(diǎn)，由于寫(xiě)鎖具有排他性。所以獲取鎖的條件要簡(jiǎn)單一些，只需確定自己創(chuàng)建的鎖節(jié)點(diǎn)是否排在其他子節(jié)點(diǎn)前面即可。

不同于獨(dú)占鎖，讀寫(xiě)鎖的實(shí)現(xiàn)稍微復(fù)雜一下。讀寫(xiě)鎖有兩種實(shí)現(xiàn)方式，各有異同，接下來(lái)就來(lái)說(shuō)說(shuō)這兩種實(shí)現(xiàn)方式。

?讀寫(xiě)鎖的第一種實(shí)現(xiàn)

第一種實(shí)現(xiàn)是對(duì) /share_lock 節(jié)點(diǎn)設(shè)置 watcher，當(dāng) /share_lock 下的子節(jié)點(diǎn)被刪除時(shí)，未獲取鎖的客戶端收到 /share_lock 子節(jié)點(diǎn)變動(dòng)的通知。在收到通知后，客戶端重新判斷自己創(chuàng)建的子節(jié)點(diǎn)是否可以獲取鎖，如果失敗，再次等待通知。詳細(xì)流程如下：

所有客戶端創(chuàng)建自己的鎖節(jié)點(diǎn)

從 Zookeeper 端獲取 /share_lock 下所有的子節(jié)點(diǎn)，并對(duì) /share_lock 節(jié)點(diǎn)設(shè)置 watcher

判斷自己創(chuàng)建的鎖節(jié)點(diǎn)是否可以獲取鎖，如果可以，持有鎖。否則繼續(xù)等待

持有鎖的客戶端刪除自己的鎖節(jié)點(diǎn)，其他客戶端收到 /share_lock 子節(jié)點(diǎn)變動(dòng)的通知

重復(fù)步驟2、3、4，直至無(wú)客戶端在等待獲取鎖了

上述步驟對(duì)于的流程圖如下：

圖4 獲取讀寫(xiě)鎖實(shí)現(xiàn)1流程圖

上面獲取讀寫(xiě)鎖流程并不復(fù)雜，但卻存在性能問(wèn)題。以圖3所示鎖節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)為例，第一個(gè)鎖節(jié)點(diǎn) host1-W-0000000001 被移除后，Zookeeper 會(huì)將 /share_lock 子節(jié)點(diǎn)變動(dòng)的通知分發(fā)給所有的客戶端。但實(shí)際上，該子節(jié)點(diǎn)變動(dòng)通知除了能影響 host2-R-0000000002 節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的客戶端外，分發(fā)給其他客戶端則是在做無(wú)用功，因?yàn)槠渌蛻舳思词公@取了通知也無(wú)法獲取鎖。所以這里需要做一些優(yōu)化，優(yōu)化措施是讓客戶端只在自己關(guān)心的節(jié)點(diǎn)被刪除時(shí)，再去獲取鎖。

?讀寫(xiě)鎖的第二種實(shí)現(xiàn)

在了解讀寫(xiě)鎖第一種實(shí)現(xiàn)的弊端后，我們針對(duì)這一實(shí)現(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化。這里客戶端不再對(duì) /share_lock 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)視，而只對(duì)自己關(guān)心的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)視。還是以圖3的鎖節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行舉例說(shuō)明，host2-R-0000000002 對(duì)應(yīng)的客戶端 C2?只需監(jiān)視 host1-W-0000000001 節(jié)點(diǎn)是否被刪除即可。而 host3-W-0000000003 對(duì)應(yīng)的客戶端 C3?只需監(jiān)視 host2-R-0000000002 節(jié)點(diǎn)是否被刪除即可，只有 host2-R-0000000002 節(jié)點(diǎn)被刪除，客戶端 C3?才能獲取鎖。而 host1-W-0000000001 節(jié)點(diǎn)被刪除時(shí)，產(chǎn)生的通知對(duì)于客戶端 C3?來(lái)說(shuō)是無(wú)用的，即使客戶端 C3?響應(yīng)了通知也沒(méi)法獲取鎖。這里總結(jié)一下，不同客戶端關(guān)心的鎖節(jié)點(diǎn)是不同的。如果客戶端創(chuàng)建的是讀鎖節(jié)點(diǎn)，那么客戶端只需找出比讀鎖節(jié)點(diǎn)序號(hào)小的最后一個(gè)的寫(xiě)鎖節(jié)點(diǎn)，并設(shè)置 watcher 即可。而如果是寫(xiě)鎖節(jié)點(diǎn)，則更簡(jiǎn)單，客戶端僅需對(duì)該節(jié)點(diǎn)的上一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置 watcher 即可。詳細(xì)的流程如下：

所有客戶端創(chuàng)建自己的鎖節(jié)點(diǎn)

從 Zookeeper 端獲取 /share_lock 下所有的子節(jié)點(diǎn)

判斷自己創(chuàng)建的鎖節(jié)點(diǎn)是否可以獲取鎖，如果可以，持有鎖。否則對(duì)自己關(guān)心的鎖節(jié)點(diǎn)設(shè)置 watcher

持有鎖的客戶端刪除自己的鎖節(jié)點(diǎn)，某個(gè)客戶端收到該節(jié)點(diǎn)被刪除的通知，并獲取鎖

重復(fù)步驟4，直至無(wú)客戶端在等待獲取鎖了

上述步驟對(duì)于的流程圖如下：

圖5 獲取讀寫(xiě)鎖實(shí)現(xiàn)2流程圖

?3. 寫(xiě)在最后

本文較為詳細(xì)的描述了基于 Zookeeper 分布式鎖的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并根據(jù)上面描述的兩種鎖原理實(shí)現(xiàn)了較為簡(jiǎn)單的分布式鎖 demo，代碼放在了?github?上，需要的朋友自取。因?yàn)檫@只是一個(gè)簡(jiǎn)單的 demo，代碼實(shí)現(xiàn)的并不優(yōu)美，僅供參考。最后，如果你覺(jué)得文章還不錯(cuò)的話，歡迎點(diǎn)贊。如果有不妥的地方，也請(qǐng)?zhí)岢鰜?lái)，我會(huì)虛心改之。好了，最后祝大家生活愉快，再見(jiàn)。

?參考

• 《ZooKeeper 分布式過(guò)程協(xié)同技術(shù)詳解》
• 《從Paxos到Zookeeper 分布式一致性原理與實(shí)踐》

• 本文鏈接：?https://www.tianxiaobo.com/2018/01/20/基于-Zookeeper-的分布式鎖實(shí)現(xiàn)/

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的基于 Zookeeper 的分布式锁实现的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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