分析ZooKeeper分佈式鎖的實現

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一、分佈式鎖方案比較

方案 實現思路 優點 缺點
利用 MySQL 的實現方案 利用數據庫自身提供的鎖機制實現，要求數據庫支持行級鎖 實現簡單 性能差，無法適應高並發場景；容易出現死鎖的情況；無法優雅的實現阻塞式鎖
利用 Redis 的實現方案 使用 Setnx 和 lua 腳本機制實現，保證對緩存操作序列的原子性 性能好 實現相對復雜，有可能出現死鎖；無法優雅的實現阻塞式鎖
利用 ZooKeeper 的實現方案 基於 ZooKeeper 節點特性及 watch 機制實現 性能好，穩定可靠性高，能較好地實現阻塞式鎖 實現相對復雜

二、ZooKeeper實現分佈式鎖

這裡使用 ZooKeeper 來實現分佈式鎖，以50個並發請求來獲取訂單編號為例，描述兩種方案，第一種為基礎實現，第二種在第一種基礎上進行瞭優化。

2.1、方案一

流程描述：

具體代碼：

OrderNumGenerator：

/**
 * @Description 生成隨機訂單號
 */
public class OrderNumGenerator {

    private static long count = 0;

    /**
     * 使用日期加數值拼接成訂單號
     */
    public String getOrderNumber() throws Exception {
        String date = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyyMMddHHmmss").format(LocalDateTime.now());
        String number = new DecimalFormat("000000").format(count++);
        return date + number;
    }
}

Lock：

/**
 * @Description 自定義鎖接口
 */
public interface Lock {

    /**
     * 獲取鎖
     */
    public void getLock();

    /**
     * 釋放鎖
     */
    public void unLock();
}

AbstractLock：

/**
 * @Description 定義一個模板，具體的方法由子類來實現
 */
public abstract class AbstractLock implements Lock {

    /**
     * 獲取鎖
     */
    @Override
    public void getLock() {

        if (tryLock()) {
            System.out.println("--------獲取到瞭自定義Lock鎖的資源--------");
        } else {
            // 沒拿到鎖則阻塞，等待拿鎖
            waitLock();
            getLock();
        }

    }

    /**
     * 嘗試獲取鎖，如果拿到瞭鎖返回true，沒有拿到則返回false
     */
    public abstract boolean tryLock();

    /**
     * 阻塞，等待獲取鎖
     */
    public abstract void waitLock();
}

ZooKeeperAbstractLock：

/**
 * @Description 定義需要的服務連接
 */
public abstract class ZooKeeperAbstractLock extends AbstractLock {

    private static final String SERVER_ADDR = "192.168.182.130:2181,192.168.182.131:2181,192.168.182.132:2181";

    protected ZkClient zkClient = new ZkClient(SERVER_ADDR);

    protected static final String PATH = "/lock";
}

ZooKeeperDistrbuteLock：

/**
 * @Description 真正實現鎖的細節
 */
public class ZooKeeperDistrbuteLock extends ZooKeeperAbstractLock {
    private CountDownLatch countDownLatch = null;

    /**
     * 嘗試拿鎖
     */
    @Override
    public boolean tryLock() {
        try {
            // 創建臨時節點
            zkClient.createEphemeral(PATH);
            return true;
        } catch (Exception e) {
            // 創建失敗報異常
            return false;
        }
    }

    /**
     * 阻塞，等待獲取鎖
     */
    @Override
    public void waitLock() {
        // 創建監聽
        IZkDataListener iZkDataListener = new IZkDataListener() {
            @Override
            public void handleDataChange(String s, Object o) throws Exception {

            }

            @Override
            public void handleDataDeleted(String s) throws Exception {
                // 釋放鎖，刪除節點時喚醒等待的線程
                if (countDownLatch != null) {
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }
        };

        // 註冊監聽
        zkClient.subscribeDataChanges(PATH, iZkDataListener);

        // 節點存在時，等待節點刪除喚醒
        if (zkClient.exists(PATH)) {
            countDownLatch = new CountDownLatch(1);
            try {
                countDownLatch.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        // 刪除監聽
        zkClient.unsubscribeDataChanges(PATH, iZkDataListener);
    }

    /**
     * 釋放鎖
     */
    @Override
    public void unLock() {
        if (zkClient != null) {
            System.out.println("釋放鎖資源");
            zkClient.delete(PATH);
            zkClient.close();
        }
    }
}

測試效果：使用50個線程來並發測試ZooKeeper實現的分佈式鎖

/**
 * @Description 使用50個線程來並發測試ZooKeeper實現的分佈式鎖
 */
public class OrderService {

    private static class OrderNumGeneratorService implements Runnable {

        private OrderNumGenerator orderNumGenerator = new OrderNumGenerator();;
        private Lock lock = new ZooKeeperDistrbuteLock();

        @Override
        public void run() {
            lock.getLock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ", 生成訂單編號："  + orderNumGenerator.getOrderNumber());
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unLock();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("----------生成唯一訂單號----------");
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            new Thread(new OrderNumGeneratorService()).start();
        }
    }
}

2.2、方案二

方案二在方案一的基礎上進行優化，避免產生“羊群效應”，方案一一旦臨時節點刪除，釋放鎖，那麼其他在監聽這個節點變化的線程，就會去競爭鎖，同時訪問 ZooKeeper，那麼怎麼更好的避免各線程的競爭現象呢，就是使用臨時順序節點，臨時順序節點排序，每個臨時順序節點隻監聽它本身的前一個節點變化。

流程描述：

具體代碼

具體隻需要將方案一中的 ZooKeeperDistrbuteLock 改變，增加一個 ZooKeeperDistrbuteLock2，測試代碼中使用 ZooKeeperDistrbuteLock2 即可測試，其他代碼都不需要改變。

/**
 * @Description 真正實現鎖的細節
 */
public class ZooKeeperDistrbuteLock2 extends ZooKeeperAbstractLock {

    private CountDownLatch countDownLatch = null;
    /**
     * 當前請求節點的前一個節點
     */
    private String beforePath;
    /**
     * 當前請求的節點
     */
    private String currentPath;

    public ZooKeeperDistrbuteLock2() {
        if (!zkClient.exists(PATH)) {
            // 創建持久節點，保存臨時順序節點
            zkClient.createPersistent(PATH);
        }
    }

    @Override
    public boolean tryLock() {
        // 如果currentPath為空則為第一次嘗試拿鎖，第一次拿鎖賦值currentPath
        if (currentPath == null || currentPath.length() == 0) {
            // 在指定的持久節點下創建臨時順序節點
            currentPath = zkClient.createEphemeralSequential(PATH + "/", "lock");
        }
        // 獲取所有臨時節點並排序，例如：000044
        List<String> childrenList = zkClient.getChildren(PATH);
        Collections.sort(childrenList);

        if (currentPath.equals(PATH + "/" + childrenList.get(0))) {
            // 如果當前節點在所有節點中排名第一則獲取鎖成功
            return true;
        } else {
            int wz = Collections.binarySearch(childrenList, currentPath.substring(6));
            beforePath = PATH + "/" + childrenList.get(wz - 1);
        }
        return false;
    }

    @Override
    public void waitLock() {
        // 創建監聽
        IZkDataListener iZkDataListener = new IZkDataListener() {
            @Override
            public void handleDataChange(String s, Object o) throws Exception {

            }

            @Override
            public void handleDataDeleted(String s) throws Exception {
                // 釋放鎖，刪除節點時喚醒等待的線程
                if (countDownLatch != null) {
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }
        };

        // 註冊監聽，這裡是給排在當前節點前面的節點增加（刪除數據的）監聽，本質是啟動另外一個線程去監聽前置節點
        zkClient.subscribeDataChanges(beforePath, iZkDataListener);

        // 前置節點存在時，等待前置節點刪除喚醒
        if (zkClient.exists(beforePath)) {
            countDownLatch = new CountDownLatch(1);
            try {
                countDownLatch.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        // 刪除對前置節點的監聽
        zkClient.unsubscribeDataChanges(beforePath, iZkDataListener);
    }

    /**
     * 釋放鎖
     */
    @Override
    public void unLock() {
        if (zkClient != null) {
            System.out.println("釋放鎖資源");
            zkClient.delete(currentPath);
            zkClient.close();
        }
    }
}

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