利用ZooKeeper简单实现分布式锁

1.分布式锁的由来：

在程序开发过程中不得不考虑的就是并发问题。在java中对于同一个jvm而言，jdk已经提供了lock和同步等。但是在分布式情况下，往往存在多个进程对一些资源产生竞争关系，而这些进程往往在不同的机器上，这个时候jdk中提供的已经不能满足。分布式锁顾名思义就是可以满足分布式情况下的并发锁。 下面我们讲解怎么利用zk实现分布式锁。

2.实现思路：

2.1 zk简单介绍：

ZooKeeper是Apache软件基金会的一个软件项目，他为大型分布式计算提供开源的分布式配置服务、同步服务和命名注册。在 ZooKeeper 中，节点类型可以分为持久节点（PERSISTENT ）、临时节点（EPHEMERAL），以及时序节点（SEQUENTIAL ），具体在节点创建过程中，一般是组合使用，可以生成 4 种节点类型：持久节点（PERSISTENT），持久顺序节点（PERSISTENT_SEQUENTIAL），临时节点（EPHEMERAL），临时顺序节点（EPHEMERAL_SEQUENTIAL）。

ZooKeeper 节点是有生命周期的，这取决于节点的类型。在 ZooKeeper 中，节点类型可以分为持久节点（PERSISTENT ）、临时节点（EPHEMERAL），以及时序节点（SEQUENTIAL ），具体在节点创建过程中，一般是组合使用，可以生成以下 4 种节点类型。

• 持久节点（PERSISTENT）

 所谓持久节点，是指在节点创建后，就一直存在，直到有删除操作来主动清除这个节点——不会因为创建该节点的客户端会话失效而消失。

• 持久顺序节点（PERSISTENT_SEQUENTIAL）

 这类节点的基本特性和上面的节点类型是一致的。额外的特性是，在ZK中，每个父节点会为他的第一级子节点维护一份时序，会记录每个子节点创建的先后顺序。基于这个特性，在创建子节点的时候，可以设置这个属性，那么在创建节点过程中，ZK会自动为给定节点名加上一个数字后缀，作为新的节点名。这个数字后缀的范围是整型的最大值。

• 临时节点（EPHEMERAL）

和持久节点不同的是，临时节点的生命周期和客户端会话绑定。也就是说，如果客户端会话失效，那么这个节点就会自动被清除掉。注意，这里提到的是会话失效，而非连接断开。另外，在临时节点下面不能创建子节点。

• 临时顺序节点（EPHEMERAL_SEQUENTIAL）

可以用来实现分布式锁

1. 客户端调用create()方法创建名为“_locknode_/guid-lock-”的节点，需要注意的是，这里节点的创建类型需要设置为EPHEMERAL_SEQUENTIAL。
2. 客户端调用getChildren(“_locknode_”)方法来获取所有已经创建的子节点，注意，这里不注册任何Watcher。
3. 客户端获取到所有子节点path之后，如果发现自己在步骤1中创建的节点序号最小，那么就认为这个客户端获得了锁。

如果在步骤3中发现自己并非所有子节点中最小的，说明自己还没有获取到锁。此时客户端需要找到比自己小的那个节点，然后对其调用exist()方法，同时注册事件监听。
之后当这个被关注的节点被移除了，客户端会收到相应的通知。这个时候客户端需要再次调用getChildren(“_locknode_”)方法来获取所有已经创建的子节点，确保自己确实是最小的节点了，然后进入步骤3。

 

2.2 利用zk实现：

当很多进程需要访问共享资源时，我们可以通过zk来实现分布式锁。主要步骤是：

1. 建立一个节点，假如名为：lock 。节点类型为持久节点（PERSISTENT）
2. 每当进程需要访问共享资源时，会调用分布式锁的lock()或tryLock()方法获得锁，这个时候会在第一步创建的lock节点下建立相应的顺序子节点，节点类型为临时顺序节点（EPHEMERAL_SEQUENTIAL），通过组成特定的名字name+lock+顺序号。
3. 在建立子节点后，对lock下面的所有以name开头的子节点进行排序，判断刚刚建立的子节点顺序号是否是最小的节点，假如是最小节点，则获得该锁对资源进行访问。
4. 假如不是该节点，就获得该节点的上一顺序节点，并给该节点是否存在注册监听事件。同时在这里阻塞。等待监听事件的发生，获得锁控制权。
5. 当调用完共享资源后，调用unlock（）方法，关闭zk，进而可以引发监听事件，释放该锁。
6. 实现的分布式锁是严格的按照顺序访问的并发锁。

3.代码实现：

下面将讲解使用java实现分布式锁：

1. 建立类DistributedLock，实现java.util.concurrent.locks.Lock;和org.apache.zookeeper.Watcher接口
2. 实现lock下面的方法：主要包括lock，tryLock，unlock等
3. 实现watcher接口下的process方法。
4. 在构造器中对zk进行初始化。
5. 详细见代码注释

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;
import org.apache.zookeeper.CreateMode;
import org.apache.zookeeper.KeeperException;
import org.apache.zookeeper.WatchedEvent;
import org.apache.zookeeper.Watcher;
import org.apache.zookeeper.ZooDefs;
import org.apache.zookeeper.ZooKeeper;
import org.apache.zookeeper.Watcher.Event.KeeperState;
import org.apache.zookeeper.data.Stat;

public class DistributedLock implements Lock, Watcher{
    private ZooKeeper zk;
    private String root = "/locks";//根
    private String lockName;//竞争资源的标志
    private String waitNode;//等待前一个锁
    private String myZnode;//当前锁
    private CountDownLatch latch;//计数器
    private CountDownLatch connectedSignal=new CountDownLatch(1);
    private int sessionTimeout = 30000; 
    /**
     * 创建分布式锁,使用前请确认config配置的zookeeper服务可用
     * @param config 192.168.1.127:2181
     * @param lockName 竞争资源标志,lockName中不能包含单词_lock_
     */
    public DistributedLock(String config, String lockName){
        this.lockName = lockName;
        // 创建一个与服务器的连接
         try {
            zk = new ZooKeeper(config, sessionTimeout, this);
            connectedSignal.await();
            Stat stat = zk.exists(root, false);//此去不执行 Watcher
            if(stat == null){
                // 创建根节点
                zk.create(root, new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.PERSISTENT); 
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new LockException(e);
        } catch (KeeperException e) {
            throw new LockException(e);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new LockException(e);
        }
    }
    /**
     * zookeeper节点的监视器
     */
    public void process(WatchedEvent event) {
        //建立连接用
        if(event.getState()==KeeperState.SyncConnected){
            connectedSignal.countDown();
            return;
        }
        //其他线程放弃锁的标志
        if(this.latch != null) {  
            this.latch.countDown();  
        }
    }

    public void lock() {   
        try {
            if(this.tryLock()){
                System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getId() + " " +myZnode + " get lock true");
                return;
            }
            else{
                waitForLock(waitNode, sessionTimeout);//等待锁
            }
        } catch (KeeperException e) {
            throw new LockException(e);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new LockException(e);
        } 
    }
    public boolean tryLock() {
        try {
            String splitStr = "_lock_";
            if(lockName.contains(splitStr))
                throw new LockException("lockName can not contains \u000B");
            //创建临时子节点
            myZnode = zk.create(root + "/" + lockName + splitStr, new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
            System.out.println(myZnode + " is created ");
            //取出所有子节点
            List<String> subNodes = zk.getChildren(root, false);
            //取出所有lockName的锁
            List<String> lockObjNodes = new ArrayList<String>();
            for (String node : subNodes) {
                String _node = node.split(splitStr)[0];
                if(_node.equals(lockName)){
                    lockObjNodes.add(node);
                }
            }
            Collections.sort(lockObjNodes);

            if(myZnode.equals(root+"/"+lockObjNodes.get(0))){
                //如果是最小的节点,则表示取得锁
                System.out.println(myZnode + "==" + lockObjNodes.get(0));
                return true;
            }
            //如果不是最小的节点，找到比自己小1的节点
            String subMyZnode = myZnode.substring(myZnode.lastIndexOf("/") + 1);
            waitNode = lockObjNodes.get(Collections.binarySearch(lockObjNodes, subMyZnode) - 1);//找到前一个子节点
        } catch (KeeperException e) {
            throw new LockException(e);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new LockException(e);
        }
        return false;
    }
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) {
        try {
            if(this.tryLock()){
                return true;
            }
            return waitForLock(waitNode,time);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return false;
    }
    private boolean waitForLock(String lower, long waitTime) throws InterruptedException, KeeperException {
        Stat stat = zk.exists(root + "/" + lower,true);//同时注册监听。
        //判断比自己小一个数的节点是否存在,如果不存在则无需等待锁,同时注册监听
        if(stat != null){
            System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getId() + " waiting for " + root + "/" + lower);
            this.latch = new CountDownLatch(1);
            this.latch.await(waitTime, TimeUnit.MILLISECONDS);//等待，这里应该一直等待其他线程释放锁
            this.latch = null;
        }
        return true;
    }
    public void unlock() {
        try {
            System.out.println("unlock " + myZnode);
            zk.delete(myZnode,-1);
            myZnode = null;
            zk.close();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (KeeperException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        this.lock();
    }
    public Condition newCondition() {
        return null;
    }

    public class LockException extends RuntimeException {
        private static final long serialVersionUID = 1L;
        public LockException(String e){
            super(e);
        }
        public LockException(Exception e){
            super(e);
        }
    }
}