09 | 使用ZooKeeper实现分布式锁-ZooKeeper实战与源码剖析

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09 | 使用ZooKeeper实现分布式锁

在分布式系统中，锁是一种重要的同步机制，用于控制多个进程或线程对共享资源的访问，以避免数据不一致或冲突。然而，传统的锁机制（如Java中的synchronized关键字或ReentrantLock）在分布式环境下显得力不从心，因为它们只能保证单个JVM内的线程同步。为了解决这个问题，我们需要一种跨JVM的分布式锁实现。ZooKeeper，作为一个高性能的协调服务，提供了完美的解决方案来实现分布式锁。

9.1 分布式锁概述

分布式锁的核心在于确保在分布式系统中，同一时间只有一个客户端能够持有锁，从而安全地访问共享资源。实现分布式锁的关键在于锁的状态需要在所有客户端之间共享且一致。ZooKeeper通过其节点（ZNode）的创建、删除、监视（Watch）等机制，为分布式锁的实现提供了强有力的支持。

9.2 ZooKeeper分布式锁原理

ZooKeeper实现分布式锁的基本思路是利用ZooKeeper的临时顺序节点（Ephemeral Sequential Nodes）。当客户端需要获取锁时，它会在ZooKeeper中创建一个临时顺序节点。ZooKeeper会保证所有创建的节点都是有序的。然后，客户端会获取当前所有子节点的列表，并判断自己创建的节点是否是最小的（即序号最小的）。如果是，则表明该客户端获得了锁；如果不是，则客户端会监视（Watch）比自己序号小的那个节点的删除事件。一旦该节点被删除（即前一个持有锁的客户端释放了锁），客户端会再次检查自己是否成为了序号最小的节点，如果是，则获得锁；否则，继续等待。

9.3 实现步骤

9.3.1 初始化ZooKeeper客户端

首先，需要创建一个ZooKeeper客户端实例，连接到ZooKeeper集群。

ZooKeeper zk = new ZooKeeper("localhost:2181", 3000, new Watcher() {
    @Override
    public void process(WatchedEvent event) {
        // 处理事件，如节点变化
    }
});

9.3.2 创建锁节点

在ZooKeeper中创建一个用于存放锁节点的父节点（如果尚不存在），并在该父节点下创建自己的临时顺序节点。

String lockPath = "/locks";
String myLockPath = lockPath + "/" + UUID.randomUUID().toString();
List<String> children = zk.getChildren(lockPath, true);
Collections.sort(children);
// 尝试创建临时顺序节点
String sequenceNodeName = zk.create(lockPath + "/", new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
    CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);

9.3.3 获取锁

检查自己创建的节点序号是否最小，如果是，则获得锁；否则，设置监视并等待。

int index = children.indexOf(sequenceNodeName.substring(lockPath.length() + 1));
if (index == 0) {
    // 获得锁
    // 执行临界区代码
} else {
    // 监视前一个节点
    String watchNode = lockPath + "/" + children.get(index - 1);
    Stat stat = zk.exists(watchNode, true);
    if (stat != null) {
        // 等待前一个节点被删除
        synchronized (this) {
            wait(); // 伪代码，实际应使用更合适的等待机制
        }
    }
    // 重新检查是否获得锁
}

注意：上述代码中的wait()和notify()是伪代码，实际实现中应使用ZooKeeper的Watcher机制或轮询来检查锁的状态变化。

9.3.4 释放锁

在临界区代码执行完毕后，需要删除自己创建的临时节点以释放锁。由于ZooKeeper的临时节点在客户端会话结束时会自动删除，因此显式删除节点通常是为了提前释放锁或处理异常情况。

zk.delete(myLockPath, -1);
zk.close();

9.4 注意事项与优化

会话超时：ZooKeeper客户端与服务器之间的会话有超时时间限制。如果客户端在会话超时时间内没有与服务器进行任何交互（如心跳），则会话将被视为过期，客户端创建的临时节点将被自动删除。因此，在实现分布式锁时，需要确保客户端能够定期与ZooKeeper服务器保持通信。
羊群效应：当大量客户端都在等待锁时，一旦锁被释放，所有等待的客户端都会收到通知并尝试获取锁，这可能导致ZooKeeper服务器在短时间内接收到大量请求，形成“羊群效应”。为了缓解这个问题，可以引入一些延迟机制，使得客户端在收到通知后不是立即尝试获取锁，而是等待一段时间后再尝试。
锁的可重入性：ZooKeeper原生并不支持可重入锁。如果需要可重入锁，可以在客户端实现一个锁管理器，记录当前线程已经持有的锁，并允许同一线程多次获取同一锁。
锁的性能：ZooKeeper的分布式锁实现依赖于网络请求和ZooKeeper集群的性能，因此在高并发场景下可能会有一定的性能开销。在设计系统时，需要权衡锁的复杂性和性能需求。

9.5 总结

ZooKeeper通过其独特的节点机制和Watcher机制，为分布式锁的实现提供了一种高效、可靠的解决方案。虽然ZooKeeper分布式锁的实现相对复杂，但它能够很好地解决分布式系统中的同步问题，保证数据的一致性和系统的稳定性。在实际应用中，我们可以根据具体需求对ZooKeeper分布式锁的实现进行优化和调整，以满足不同的性能和安全要求。