Zookeeper-分布式锁概念

Zookeeper也可以实现分布式锁，下面记录下相关原理及代码实现，主要参考文末书籍和博文。

原理

在分布式系统中，当多个系统或同一个系统的不同主机想使用某个共享资源时，需要使用互斥的手段，保证使用资源的合理性，防止相互之间读写的干扰。

举个栗子，当多个男生同时追求某位女生，其实同时只能有一个能和这位女士聊天，其他的男生以为他们女神睡觉或者在忙，其实正和某位男生正聊得飞起，这位幸运的男士获得了女士的心锁，当他感觉新鲜感褪去释放心锁后，其他男士才有重新获取心锁的机会，这就是分布式锁的一个案例，如果么有这个锁，后果将不堪设想。

在单个JVM中的并发情况，可以使用JDK提供的Synchronized或ReentrantLock来定义锁，实现资源互斥，在分布式系统中多个JVM中的并发，不能使用这两种方式，需要使用分布式锁。

实现分布式锁，目前博客里推荐的有关系型数据库、Memcached（add命令）、Redis（setnx命令+后期完善）、Zookeeper（临时顺序节点），Chubby。这里主要记录Zookeeper是如何实现分布式锁，主要有排他锁和共享锁两种。

排他锁（Exclusive Locks）

排他锁又称为独占锁，如果某个事务占用了这个锁，获取到数据对象O的读写权限，其他事务就不能对这个数据对象O做任何操作，直到这个事务释放了锁。其他事务监听到锁释放后，会重新竞争获取锁，新得到锁的事务才有对象O的操作权限。

排他锁在Zookeeper中的实现主要通过临时节点实现，参考文末书籍，获取和释放锁的流程如下。

在获取锁的过程中，只有成功创建了/exclusive下lock临时节点的客户端才算获取锁成功，没有成功的就在/exclusive下注册Watcher监听，一旦监听到临时节点删除就会加入获取锁的竞争中。

释放锁有两种可能，一种是正常执行完了业务逻辑，客户端自动删除这个临时节点，一种是获取到锁的客户端宕机，与Zookeeper服务器的session失效也会自动删除临时节点，释放锁。

共享锁（Shared Locks）

共享锁又称为读锁，相比排他锁，它在读请求上，是共享锁的，多个节点创建了临时顺序节点后，会获取节点列表并且排序，如果是多个读请求连在一起，他们都可以获取共享锁，对数据对象进行读操作。而在写请求上，类似排他锁，必须保证它是最小序号的才可以获取锁，否则就进行等待，哪怕它前面序号的请求是读请求，也必须等待。

共享锁在Zookeeper中的实现主要通过临时顺序节点实现，参考文末书籍，获取和释放锁的流程如下。

在获取锁的过程中，客户端在创建完/shared下"[hostname]-请求类型(R读或W写)-序列号"的临时顺序节点后，需要获取/shared下子节点列表，并且为每个子节点在/shared节点下注册Watcher监听。根据自己在字节点列表中的顺序，进行如上图所示的判断后，才能决定自己是否能获取到共享锁。

• 如果当前客户端创建的写请求是序号最小的，则获取到共享锁，否则需要等待锁。
• 如果当前客户端创建的读请求是序号最小的，或者读请求不是最小但是比它小的序号都是读请求，也将获取到共享锁，否则需要等待锁。

以下是客户端在示例节点/shared下创建临时顺序节点后，判断是否获取共享锁的示意图，注意区分读请求和写请求，看样子读请求更像是共享一把锁，而写请求还是独占。

共享锁释放锁的过程，和排他锁是一样的，参考上文排他锁。

羊群效应

上面在/shared节点下注册完子节点后，需要获取子节点列表，并且/shared节点被其他子节点注册的Watcher监听着，如下图所示，子节点都在监听/shared的变化，这样会产生如下问题，以node01为例。

• 当node01完成写操作后，会删除临时顺序节点node01-W-0000000001，并且被其他节点监听到。
• 剩余的节点，会继续从/shared下获取一份子节点列表，并判断是否自己可以获取到共享锁，只有获取到共享锁的，才可以执行业务逻辑，剩余的依然要等待下一次判断，如此反复。当node01释放锁后，node02、node03和node04将获取到共享锁并进行读请求，而node05、node06和node07只能继续等待。

可以看到每次/shared节点变化，都会广播到下面的每个子节点，并且剩余子节点会获取/shared子节点列表来判断自己是否有机会获取到锁。这样的结果会导致很多重复的无用的广播，以及重复的获取子列表的情况，因为每次判断，只有少数的节点能获取到锁，对其他的节点好像一个废操作，并没有实际作用。

上面重复发送Watcher监听结果以及获取子列表的情况，在Zookeeper集群规模不大的情况下（书中给出数字10台）是可以接受的，在更多的机器下，这样显然会占用网络资源影响性能，这就是“羊群效应”，为了避免“羊群效应”，需要对原来的获取锁和释放锁的流程进行优化，如下图所示。

在获取/shared下子列表后，不为每个子节点注册监听。获取锁失败后，只在比自己"小"的节点上注册Watcher，这里的"小"需要区分读请求和写请求。

• 如果是读请求，比自己小的子节点就是上一个写请求对应的节点。
• 如果是写请求，比自己小的子节点，就是序号比自己小的上一个节点。

以下是改善前后注册Watcher监听示意图对比，可以明显看到两种节点注册的理念不一样，改善后的节点，只关心比它小的节点情况，这样只在小范围内进行信息传递就可以实现共享锁的释放后再获取。

以上，理解不一定正确，学习就是一个不断认识和纠错的过程，如果有误还请批评指正。

PS：人生，成功只是暂时的，失败却是主旋律，面对失败的态度，将人分成不同的样子。

参考博文：

（1）《从Paxos到Zookeeper-分布式一致性原理与实践》分布式锁

（2）http://www.360doc.com/content/18/0528/08/36490684_757590223.shtml 分布式锁漫画

原文：https://www.cnblogs.com/youngchaolin/p/13287849.html