【分布式锁】07-Zookeeper实现分布式锁：Semaphore、读写锁实现原理

时间:2020-03-31 一枝花算不算浪漫人气:1

前言

前面已经讲解了Zookeeper可重入锁的实现原理，自己对分布式锁也有了更深的认知。

我在公众号中发了一个疑问，相比于Redis来说，Zookeeper的实现方式要更好一些，即便Redis作者实现了RedLock算法来解决Redis集群模式下分布式锁的弊端，但Redis实现的分布式锁仍然不是那么完美。

比如有5台Redis集群，按照n/2 + 1代表获取锁成功，如果客户端A此时获取锁，Redis集群（1,2,3）返回成功，客户端A获取锁成功。

此时Redis 1 master宕机，切换到slave，而slave并未来得及同步客户端A加锁成功的信息到slave。

客户端B获取锁，Redis集群(1,4,5)返回成功，客户端B仍然可以成功获取锁。

即使如此，为何在实际生产项目中分布式锁大多还是由Redis来完成？

这一点我仍然有些疑惑，我接触过的公司和项目都普遍用Redis来实现分布式锁。

这里就不再纠结了，接着继续学习Zookeeper剩下几个实现分布式锁的组件吧。

Semaphore实现原理

前面已经讲过Redisson中Semaphore的实现原理(【分布式锁】05-使用Redisson中Semaphore和CountDownLatch原理)，现在学习下ZK中Semaphore是如何实现的

Semaphore 使用案例

使用示例很简单，Curator官网上有对应代码，使用InterProcessSemaphoreV2类即可，代码如下：

/**
*  Zookeeper分布式锁测试代码
*
 * @author wangmeng
 * @date 2020/03/30 18:59
 */
public class Application {

    /** Zookeeper info */
    private static final String ZK_ADDRESS = "YourZkIP:2181";
    private static final String ZK_LOCK_PATH = "/locks/lock_01";
    private static final String ZK_SEMAPHORE_LOCK_PATH = "/semaphore/semaphore_01";

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 1.Connect to zk
        CuratorFramework client = CuratorFrameworkFactory.newClient(
                ZK_ADDRESS,
                new RetryNTimes(10, 5000)
        );
        client.start();
        System.out.println("zk client start successfully!");

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            testSemaphore(client);
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            testSemaphore(client);
        }, "t2");
        Thread t3 = new Thread(() -> {
            testSemaphore(client);
        }, "t3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }


    /**
     * 测试Semaphore
     */
    private static void testSemaphore(CuratorFramework client) {
        InterProcessSemaphoreV2 semaphore = new InterProcessSemaphoreV2(client, ZK_SEMAPHORE_LOCK_PATH, 2);
        try {
            Lease lease = semaphore.acquire();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " hold lock");
            Thread.sleep(5000L);
            semaphore.returnLease(lease);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " release lock");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

打印结果为：

image.png

因为设置的只允许最多2个客户端同时获取锁。

从效果上看t3和t2同时获取到了锁，接着t3释放了锁后t1才获取锁。

Semaphore加锁源码解析

源码面前出真知，我们直接看下源码：

public class InterProcessSemaphoreV2 {

    private static final String LOCK_PARENT = "locks";
    private static final String LEASE_PARENT = "leases";
    private static final String LEASE_BASE_NAME = "lease-";

    public Collection<Lease> acquire(int qty, long time, TimeUnit unit) throws Exception
    {
        long startMs = System.currentTimeMillis();
        boolean hasWait = (unit != null);
        long waitMs = hasWait ? TimeUnit.MILLISECONDS.convert(time, unit) : 0;

        Preconditions.checkArgument(qty > 0, "qty cannot be 0");

        ImmutableList.Builder<Lease> builder = ImmutableList.builder();
        boolean success = false;
        try
        {
            while ( qty-- > 0 )
            {
                int retryCount = 0;
                long startMillis = System.currentTimeMillis();
                boolean isDone = false;
                while ( !isDone )
                {
                    switch ( internalAcquire1Lease(builder, startMs, hasWait, waitMs) )
                    {
                        case CONTINUE:
                        {
                            isDone = true;
                            break;
                        }

                        // 省略其他分支逻辑
                    }
                }
            }
            success = true;
        }
        finally
        {
            if ( !success )
            {
                returnAll(builder.build());
            }
        }

        return builder.build();
    }

    private InternalAcquireResult internalAcquire1Lease(ImmutableList.Builder<Lease> builder, long startMs, boolean hasWait, long waitMs) throws Exception
    {
        if ( client.getState() != CuratorFrameworkState.STARTED )
        {
            return InternalAcquireResult.RETURN_NULL;
        }

        if ( hasWait )
        {
            long thisWaitMs = getThisWaitMs(startMs, waitMs);
            if ( !lock.acquire(thisWaitMs, TimeUnit.MILLISECONDS) )
            {
                return InternalAcquireResult.RETURN_NULL;
            }
        }
        else
        {
            lock.acquire();
        }
        try
        {
            PathAndBytesable<String> createBuilder = client.create().creatingParentsIfNeeded().withProtection().withMode(CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
            String path = (nodeData != null) ? createBuilder.forPath(ZKPaths.makePath(leasesPath, LEASE_BASE_NAME), nodeData) : createBuilder.forPath(ZKPaths.makePath(leasesPath, LEASE_BASE_NAME));
            String nodeName = ZKPaths.getNodeFromPath(path);
            builder.add(makeLease(path));

            synchronized(this)
            {
                for(;;)
                {
                    List<String> children = client.getChildren().usingWatcher(watcher).forPath(leasesPath);
                    if ( !children.contains(nodeName) )
                    {
                        log.error("Sequential path not found: " + path);
                        return InternalAcquireResult.RETRY_DUE_TO_MISSING_NODE;
                    }

                    if ( children.size() <= maxLeases )
                    {
                        break;
                    }
                    if ( hasWait )
                    {
                        long thisWaitMs = getThisWaitMs(startMs, waitMs);
                        if ( thisWaitMs <= 0 )
                        {
                            return InternalAcquireResult.RETURN_NULL;
                        }
                        wait(thisWaitMs);
                    }
                    else
                    {
                        wait();
                    }
                }
            }
        }
        finally
        {
            lock.release();
        }
        return InternalAcquireResult.CONTINUE;
    }
}

代码有点长，我们一点点分析，我们以客户端A、B、C同时进入获取锁逻辑来举例，这里Semaphore最大可允许2个客户端同时获取锁。

三个客户端同时进入switch逻辑，执行internalAcquire1Lease()方法
在internalAcquire1Lease()方法中，先使用lock.acquire()执行加锁逻辑，这个lock是我们上一章讲的可重入锁逻辑，不再赘述
这个lock是哪里初始化的呢？在InterProcessSemaphoreV2构造函数中：
lock = new InterProcessMutex(client, ZKPaths.makePath(path, LOCK_PARENT));
this.maxLeases = (count != null) ? count.getCount() : maxLeases;
注意lock的path为：/semaphore/semaphore_01/locks, maxLeases为传入的3
此时客户端A、B、C执行lock.acquire()只会有一个可以成功获取锁，其他两个客户端会wait()

到了这里，Zookeeper中就会有三条类似于：
/semaphores/semaphore_01/locks/_c_a9302e20-de9c-4356-923a-274664d7676c-lock-0000000001 的数据

接着客户端A继续往下执行，具体逻辑如图：

首先是客户端A创建一个/locks/lock-xxxx01节点，获取锁成功过
接着创建临时顺序节点/leases/lease-xxxx01
判断/leases目录下节点数量（数量为1）是否小于等于maxLeases（maxLeases=2）
如果成功则退出循环，释放/locks加的锁，返回InternalAcquireResult.CONTINUE，状态，执行lock.release()通知客户端B、C争抢/locks节点下的锁
此时如果客户端B抢到锁，然后同样创建/leases/lease-xxxx02,
判断/leases目录下节点数量（数量为2）是否小于等于maxLeases（maxLeases=2）
客户端B也退出循环，返回InternalAcquireResult.CONTINUE，接着客户端C来获取锁
客户端C执行时，判断/leases目录下节点数量（数量为3）是否小于等于maxLeases（maxLeases=2）

此时客户端C会进入到wait()方法，直到客户端A或者客户端B释放leases节点下锁时才会重试获取锁。

返回InternalAcquireResult.CONTINUE后，就标志获取锁成功。

Semaphore释放锁源码分析

我们直接看代码，释放锁代码很简单：

/**
 * Convenience method. Closes the lease
 *
 * @param lease lease to close
 */
public void returnLease(Lease lease)
{
    Closeables.closeQuietly(lease);
}

一路跟下去，可以看到closeQuietly实现方法：

image.png

最后用到Lease中的close()方法，删除创建的/leases/lease-xxxx节点数据，然后通知其他节点客户端，使用notifyAll()

ZK-Semaphore总结

一张图总结下：

05_Zookeeper中Semaphore实现原理 _1_.jpg

Zookeeper 非重入锁实现原理

之前听小伙伴说过一个面试题，请说出你所知道的非重入锁？

在脑子中搜索JDK中非重入锁？好像没有？

Zookeeper中提供了一个非重入锁的实现方式，实现原理使用Semaphore，最大允许1个客户端获取锁

按理说JDK中的Semaphore也可以实现此功能，哈哈，感觉自己被忽悠了，接着还是勉为其难的看下ZK中"非重入锁"的实现方式吧：

使用示例

/**
 * 测试非重入锁
 */
private static void testSemaphoreMutex(CuratorFramework client) {
    InterProcessSemaphoreMutex semaphoreMutex = new InterProcessSemaphoreMutex(client, ZK_SEMAPHORE_LOCK_PATH);
    try {
        semaphoreMutex.acquire();
        Thread.sleep(5000L);
        semaphoreMutex.release();
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

源码分析

image.png

实际上就是设置maxLeases为1，原理同上面的Semaphore源码分析

Zookeeper读写锁原理

之前在Redisson中已经见过它对读写锁的实现，分别举例了读读、写写、读写、写读这几种场景锁的互斥性以及可重入性，这里也采用类似的场景分析。

读写锁使用案例

直接看案例，可以针对案例修改几种场景进行测试：

/**
 * @author wangmeng
 * @date 2020/03/30 18:59
 */
public class Application {

    /** Zookeeper info */
    private static final String ZK_ADDRESS = "yourZkIP:2181";
    private static final String ZK_LOCK_PATH = "/locks/lock_01";
    private static final String ZK_SEMAPHORE_LOCK_PATH = "/semaphore/semaphore_01";
    private static final String ZK_READ_WRITE_LOCK_PATH = "/readwrite/readwrite_01";

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 1.Connect to zk
        CuratorFramework client = CuratorFrameworkFactory.newClient(
                ZK_ADDRESS,
                new RetryNTimes(10, 5000)
        );
        client.start();
        System.out.println("zk client start successfully!");

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            testReadWriteLock(client);
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            testReadWriteLock(client);
        }, "t2");

        t1.start();
        t2.start();
    }


    /**
     * 测试读写锁
     */
    private static void testReadWriteLock(CuratorFramework client) {
        InterProcessReadWriteLock readWriteLock = new InterProcessReadWriteLock(client, ZK_READ_WRITE_LOCK_PATH);
        try {
            // 获取读锁
            InterProcessMutex readLock = readWriteLock.readLock();
            readLock.acquire();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " hold read lock");
            Thread.sleep(5000);
            readLock.release();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " release read lock");

            // 获取写锁
            InterProcessMutex writeLock = readWriteLock.writeLock();
            writeLock.acquire();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " hold write lock");
            Thread.sleep(5000);
            writeLock.release();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " release write lock");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行后结果：

image.png

从结果可以看出来：读读不互斥、写写互斥

读写锁源码解析

首先看下InterProcessReadWrite的构造函数：

public class InterProcessReadWriteLock {    
    public InterProcessReadWriteLock(CuratorFramework client, String basePath)
    {
        writeMutex = new InternalInterProcessMutex
        (
            client,
            basePath,
            WRITE_LOCK_NAME,
            1,
            new SortingLockInternalsDriver()
            {
                @Override
                public PredicateResults getsTheLock(CuratorFramework client, List<String> children, String sequenceNodeName, int maxLeases) throws Exception
                {
                    return super.getsTheLock(client, children, sequenceNodeName, maxLeases);
                }
            }
        );

        readMutex = new InternalInterProcessMutex
        (
            client,
            basePath,
            READ_LOCK_NAME,
            Integer.MAX_VALUE,
            new SortingLockInternalsDriver()
            {
                @Override
                public PredicateResults getsTheLock(CuratorFramework client, List<String> children, String sequenceNodeName, int maxLeases) throws Exception
                {
                    return readLockPredicate(children, sequenceNodeName);
                }
            }
        );
    }
}

因为ZK中的读写锁底层也是基于第一讲中InterProcessMutex.internalLock()去实现的，所以InterProcessReadWriteLock读锁和写锁分别初始化了maxLeases及重写了getsTheLock()方法，这个方法是判断是否可以获取锁的核心代码，类似于：

int ourIndex = children.indexOf(sequenceNodeName);
boolean getsTheLock = ourIndex < maxLeases;

不清楚的可以回头看看：【分布式锁】06-Zookeeper实现分布式锁：可重入锁源码分析

另外写锁和读锁的path会有区别：

private static final String READ_LOCK_NAME  = "__READ__";
private static final String WRITE_LOCK_NAME = "__WRIT__";

写锁的maxLeases是1，加了写锁就不允许再加其他读锁（但可重入加写锁和读锁）

读锁的maxLeases是Integer.MAX_VALUE，读读锁不互斥

读读互斥及重入

查看读锁中判断获取锁成功的核心逻辑：

private PredicateResults readLockPredicate(List<String> children, String sequenceNodeName) throws Exception
{
    // 如果当前线程获取写锁，那么直接返回true，获取读锁成功
    if ( writeMutex.isOwnedByCurrentThread() )
    {
        return new PredicateResults(null, true);
    }

    int         index = 0;
    int         firstWriteIndex = Integer.MAX_VALUE;
    int         ourIndex = Integer.MAX_VALUE;
    for ( String node : children )
    {
        if ( node.contains(WRITE_LOCK_NAME) )
        {
            firstWriteIndex = Math.min(index, firstWriteIndex);
        }
        else if ( node.startsWith(sequenceNodeName) )
        {
            ourIndex = index;
            break;
        }

        ++index;
    }
    StandardLockInternalsDriver.validateOurIndex(sequenceNodeName, ourIndex);

    boolean     getsTheLock = (ourIndex < firstWriteIndex);
    String      pathToWatch = getsTheLock ? null : children.get(firstWriteIndex);
    return new PredicateResults(pathToWatch, getsTheLock);
}

如果客户端A已经获取了读锁
此时客户端B再来获取读锁

children：[xxx_READ_0001, xxxx_READ_0002]，此时都是读锁，不包含WRITE锁标识
sequenceNodeName就是node创建的节点名称，这里ourIndex=index0
ourIndex<firstWriteIndex = Integer.MAX_VALUE 获取锁成功

执行debug流程如下图：

image.png

因为读读不互斥，所以这里读锁也是可重入的

写读互斥及重入

上面已经分析过读读的逻辑了，这里接着按照上面的代码分析下读写的逻辑：

客户端A加写锁成功
客户端B加读锁

node.contains(WRITE_LOCK_NAME)，此时客户端B中含有WRITE标识
firstWriteIndex = Math.min(index, firstWriteIndex)=0
boolean getsTheLock = (ourIndex < firstWriteIndex);
此时ourIndex = Integer.MAX_VALUE，判断条件不成立，所以加写锁失败

不同客户端写读锁互斥
接着看看同一个客户端逻辑：

if ( writeMutex.isOwnedByCurrentThread() )
{
    return new PredicateResults(null, true);
}

如果当前线程获取了写锁，那么再加读写直接返回成功。

所以同一个客户端同一线程：先加写锁、再加读锁可重入，这一点和Redisson中是一致的，具体可以看：【分布式锁】04-使用Redisson实现ReadWriteLock原理

写写互斥及重入

写锁完全可以看做成InterProcessMutex，这里maxLeases为1，所以同一个线程写是可重入的，不同客户端获取锁时互斥的

读写互斥及重入

客户端A加读锁
客户端B加写锁
同样道理，此时children数据结构如：
[_c_13bf63d6-43f3-4c2f-ba98-07a641d351f2-__READ__0000000004,
_c_73b60882-9361-4fb7-8420-a8d4911d2c99-__WRIT__0000000005]

判断写锁在"/readwrite/readwrite_01"目录下的位置，不是在首位，加锁失败

可重入锁也是同样原理，不可重入

Zookeeper中MultiLock实现原理

我们在Redisson中已经见过MultiLock原理，其中Redissoon为了实现RedLock算法，也有MultiLock的实现（可以参考【分布式锁】03-使用Redisson实现RedLock原理）当多个资源需要统一加锁的时候，我们就可以使用MultiLock

Zookeeper中的MultiLock实现非常简单，就是依次加锁，实现如下图：

image.png

总结

Zookeeper实现分布式锁的相关原理全都讲完了，仔细阅读Curator源码觉得还挺有意思，再来会先Curator官网那句话：

Guava is to Java what Curator is to Zookeeper

Curator真的很强，分布式锁实现的很棒！

申明

本文章首发自本人公众号：壹枝花算不算浪漫，如若转载请标明来源!

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