ZooKeeper分布式锁实现源码
爱码叔（稀有气体） 人气:0ZooKeeper入门教程二在单机和集群环境下的安装搭建及使用
1.0版本
首先我们先介绍一个简单的zookeeper实现分布式锁的思路：
用zookeeper中一个临时节点代表锁，比如在/exlusive_lock下创建临时子节点/exlusive_lock/lock。
- 所有客户端争相创建此节点，但只有一个客户端创建成功。
- 创建成功代表获取锁成功，此客户端执行业务逻辑
- 未创建成功的客户端，监听/exlusive_lock变更
- 获取锁的客户端执行完成后，删除/exlusive_lock/lock，表示锁被释放
- 锁被释放后，其他监听/exlusive_lock变更的客户端得到通知，再次争相创建临时子节点/exlusive_lock/lock。此时相当于回到了第2步。
我们的程序按照上述逻辑直至抢占到锁，执行完业务逻辑。
上述是较为简单的分布式锁实现方式。能够应付一般使用场景，但存在着如下两个问题：
1、锁的获取顺序和最初客户端争抢顺序不一致，这不是一个公平锁。每次锁获取都是当次最先抢到锁的客户端。
2、羊群效应，所有没有抢到锁的客户端都会监听/exlusive_lock变更。当并发客户端很多的情况下，所有的客户端都会接到通知去争抢锁，此时就出现了羊群效应。
为了解决上面的问题，我们重新设计。
2.0版本
我们在2.0版本中，让每个客户端在/exlusive_lock下创建的临时节点为有序节点，这样每个客户端都在/exlusive_lock下有自己对应的锁节点，而序号排在最前面的节点，代表对应的客户端获取锁成功。排在后面的客户端监听自己前面一个节点，那么在他前序客户端执行完成后，他将得到通知，获得锁成功。逻辑修改如下：
- 每个客户端往/exlusive_lock下创建有序临时节点/exlusive_lock/lock_。创建成功后/exlusive_lock下面会有每个客户端对应的节点，如/exlusive_lock/lock_000000001
- 客户端取得/exlusive_lock下子节点，并进行排序，判断排在最前面的是否为自己。如果自己的锁节点在第一位，代表获取锁成功，此客户端执行业务逻辑
- 如果自己的锁节点不在第一位，则监听自己前一位的锁节点。例如，自己锁节点lock_000000002，那么则监听lock_000000001.
- 当前一位锁节点（lock_000000001）对应的客户端执行完成，释放了锁，将会触发监听客户端（lock_000000002）的逻辑。
- 监听客户端重新执行第2步逻辑，判断自己是否获得了锁。
如此修改后，每个客户端只关心自己前序锁是否释放，所以每次只会有一个客户端得到通知。而且，所有客户端的执行顺序和最初锁创建的顺序是一致的。解决了1.0版本的两个问题。
接下来我们看看代码如何实现。
LockSample类
此类是分布式锁类，实现了2个分布式锁的相关方法：
1、获取锁
2、释放锁
主要程序逻辑围绕着这两个方法的实现，特别是获取锁的逻辑。我们先看一下该类的成员变量：
private ZooKeeper zkClient; private static final String LOCK_ROOT_PATH = "/Locks"; private static final String LOCK_NODE_NAME = "Lock_"; private String lockPath;
定义了zkClient，用来操作zookeeper。
锁的根路径，及自增节点的前缀。此处生产环境应该由客户端传入。
当前锁的路径。
构造方法
public LockSample() throws IOException {
zkClient= new ZooKeeper("localhost:2181", 10000, new Watcher() {
@Override
public void process(WatchedEvent event) {
if(event.getState()== Event.KeeperState.Disconnected){
System.out.println("失去连接");
}
}
});
}创建zkClient，同时创建了状态监听。此监听可以去掉，这里只是打印出失去连接状态。
获取锁实现
暴露出来的获取锁的方法为acquireLock()，逻辑很简单：
public void acquireLock() throws InterruptedException, KeeperException {
//创建锁节点
createLock();
//尝试获取锁
attemptLock();
}首先创建锁节点，然后尝试去取锁。真正的逻辑都在这两个方法中。
createLock()
先判断锁的根节点/Locks是否存在，不存在的话创建。然后在/Locks下创建有序临时节点，并设置当前的锁路径变量lockPath。
代码如下：
private void createLock() throws KeeperException, InterruptedException {
//如果根节点不存在，则创建根节点
Stat stat = zkClient.exists(LOCK_ROOT_PATH, false);
if (stat == null) {
zkClient.create(LOCK_ROOT_PATH, new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);
}
// 创建EPHEMERAL_SEQUENTIAL类型节点
String lockPath = zkClient.create(LOCK_ROOT_PATH + "/" + LOCK_NODE_NAME,
Thread.currentThread().getName().getBytes(), ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 锁创建: " + lockPath);
this.lockPath=lockPath;
}attemptLock()
这是最核心的方法，客户端尝试去获取锁，是对2.0版本逻辑的实现，这里就不再重复逻辑，直接看代码：
private void attemptLock() throws KeeperException, InterruptedException {
// 获取Lock所有子节点，按照节点序号排序
List<String> lockPaths = null;
lockPaths = zkClient.getChildren(LOCK_ROOT_PATH, false);
Collections.sort(lockPaths);
int index = lockPaths.indexOf(lockPath.substring(LOCK_ROOT_PATH.length() + 1));
// 如果lockPath是序号最小的节点，则获取锁
if (index == 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 锁获得, lockPath: " + lockPath);
return ;
} else {
// lockPath不是序号最小的节点，监听前一个节点
String preLockPath = lockPaths.get(index - 1);
Stat stat = zkClient.exists(LOCK_ROOT_PATH + "/" + preLockPath, watcher);
// 假如前一个节点不存在了，比如说执行完毕，或者执行节点掉线，重新获取锁
if (stat == null) {
attemptLock();
} else { // 阻塞当前进程，直到preLockPath释放锁，被watcher观察到，notifyAll后，重新acquireLock
System.out.println(" 等待前锁释放，prelocakPath："+preLockPath);
synchronized (watcher) {
watcher.wait();
}
attemptLock();
}
}
}注意这一行代码
Stat stat = zkClient.exists(LOCK_ROOT_PATH + "/" + preLockPath, watcher);
我们在获取前一个节点的时候，同时设置了监听watcher。如果前锁存在，则阻塞主线程。
watcher定义代码如下：
private Watcher watcher = new Watcher() {
@Override
public void process(WatchedEvent event) {
System.out.println(event.getPath() + " 前锁释放");
synchronized (this) {
notifyAll();
}
}
};watcher只是notifyAll，让主线程继续执行，以便再次调用attemptLock()，去尝试获取lock。如果没有异常情况的话，此时当前客户端应该能够成功获取锁。
释放锁实现
释放锁原语实现很简单，参照releaseLock()方法。代码如下：
public void releaseLock() throws KeeperException, InterruptedException {
zkClient.delete(lockPath, -1);
zkClient.close();
System.out.println(" 锁释放：" + lockPath);
}关于分布式锁的代码到此就讲解完了，我们再看下客户端如何使用它。
我们创建一个TicketSeller类，作为客户端来使用分布式锁。
TicketSeller类
sell()
不带锁的业务逻辑方法，代码如下：
private void sell(){
System.out.println("售票开始");
// 线程随机休眠数毫秒，模拟现实中的费时操作
int sleepMillis = (int) (Math.random() * 2000);
try {
//代表复杂逻辑执行了一段时间
Thread.sleep(sleepMillis);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("售票结束");
}仅是为了演示，sleep了一段时间。
sellTicketWithLock()
此方法中，加锁后执行业务逻辑，代码如下：
public void sellTicketWithLock() throws KeeperException, InterruptedException, IOException {
LockSample lock = new LockSample();
lock.acquireLock();
sell();
lock.releaseLock();
}测试入口
接下来我们写一个main函数做测试：
public static void main(String[] args) throws KeeperException, InterruptedException, IOException {
TicketSeller ticketSeller = new TicketSeller();
for(int i=0;i<1000;i++){
ticketSeller.sellTicketWithLock();
}
}main函数中我们循环调用ticketSeller.sellTicketWithLock()，执行加锁后的卖票逻辑。
测试方法
1、先启动一个java程序运行，可以看到日志输出如下：
main 锁创建: /Locks/Lock_0000000391 main 锁获得, lockPath: /Locks/Lock_0000000391 售票开始 售票结束 锁释放：/Locks/Lock_0000000391 main 锁创建: /Locks/Lock_0000000392 main 锁获得, lockPath: /Locks/Lock_0000000392 售票开始 售票结束 锁释放：/Locks/Lock_0000000392 main 锁创建: /Locks/Lock_0000000393 main 锁获得, lockPath: /Locks/Lock_0000000393 售票开始 售票结束 锁释放：/Locks/Lock_0000000393
可见每次执行都是按照锁的顺序执行，而且由于只有一个进程，并没有锁的争抢发生。
2、我们再启动一个同样的程序，锁的争抢此时发生了，可以看到双方的日志输出如下：
程序1:
main 锁获得, lockPath: /Locks/Lock_0000000471 售票开始 售票结束 锁释放：/Locks/Lock_0000000471 main 锁创建: /Locks/Lock_0000000473 等待前锁释放，prelocakPath：Lock_0000000472 /Locks/Lock_0000000472 前锁释放 main 锁获得, lockPath: /Locks/Lock_0000000473 售票开始 售票结束 锁释放：/Locks/Lock_0000000473
可以看到Lock_0000000471执行完成后，该进程获取的锁为Lock_0000000473，这说明Lock_0000000472被另外一个进程创建了。此时Lock_0000000473在等待前锁释放。Lock_0000000472释放后，Lock_0000000473才获得锁，然后才执行业务逻辑。
我们再看程序2的日志：
main 锁获得, lockPath: /Locks/Lock_0000000472 售票开始 售票结束 锁释放：/Locks/Lock_0000000472 main 锁创建: /Locks/Lock_0000000474 等待前锁释放，prelocakPath：Lock_0000000473 /Locks/Lock_0000000473 前锁释放 main 锁获得, lockPath: /Locks/Lock_0000000474 售票开始 售票结束 锁释放：/Locks/Lock_0000000474
可以看到，确实是进程2获取了Lock_0000000472。
zookeeper实现分布式锁就先讲到这。注意代码只做演示用，并不适合生产环境使用。
代码清单如下：
1、LockSample
import org.apache.zookeeper.*;
import org.apache.zookeeper.data.Stat;
import java.io.IOException;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
public class LockSample {
//ZooKeeper配置信息
private ZooKeeper zkClient;
private static final String LOCK_ROOT_PATH = "/Locks";
private static final String LOCK_NODE_NAME = "Lock_";
private String lockPath;
// 监控lockPath的前一个节点的watcher
private Watcher watcher = new Watcher() {
@Override
public void process(WatchedEvent event) {
System.out.println(event.getPath() + " 前锁释放");
synchronized (this) {
notifyAll();
}
}
};
public LockSample() throws IOException {
zkClient= new ZooKeeper("localhost:2181", 10000, new Watcher() {
@Override
public void process(WatchedEvent event) {
if(event.getState()== Event.KeeperState.Disconnected){
System.out.println("失去连接");
}
}
});
}
//获取锁的原语实现.
public void acquireLock() throws InterruptedException, KeeperException {
//创建锁节点
createLock();
//尝试获取锁
attemptLock();
}
//创建锁的原语实现。在lock节点下创建该线程的锁节点
private void createLock() throws KeeperException, InterruptedException {
//如果根节点不存在，则创建根节点
Stat stat = zkClient.exists(LOCK_ROOT_PATH, false);
if (stat == null) {
zkClient.create(LOCK_ROOT_PATH, new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);
}
// 创建EPHEMERAL_SEQUENTIAL类型节点
String lockPath = zkClient.create(LOCK_ROOT_PATH + "/" + LOCK_NODE_NAME,
Thread.currentThread().getName().getBytes(), ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 锁创建: " + lockPath);
this.lockPath=lockPath;
}
private void attemptLock() throws KeeperException, InterruptedException {
// 获取Lock所有子节点，按照节点序号排序
List<String> lockPaths = null;
lockPaths = zkClient.getChildren(LOCK_ROOT_PATH, false);
Collections.sort(lockPaths);
int index = lockPaths.indexOf(lockPath.substring(LOCK_ROOT_PATH.length() + 1));
// 如果lockPath是序号最小的节点，则获取锁
if (index == 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 锁获得, lockPath: " + lockPath);
return ;
} else {
// lockPath不是序号最小的节点，监控前一个节点
String preLockPath = lockPaths.get(index - 1);
Stat stat = zkClient.exists(LOCK_ROOT_PATH + "/" + preLockPath, watcher);
// 假如前一个节点不存在了，比如说执行完毕，或者执行节点掉线，重新获取锁
if (stat == null) {
attemptLock();
} else { // 阻塞当前进程，直到preLockPath释放锁，被watcher观察到，notifyAll后，重新acquireLock
System.out.println(" 等待前锁释放，prelocakPath："+preLockPath);
synchronized (watcher) {
watcher.wait();
}
attemptLock();
}
}
}
//释放锁的原语实现
public void releaseLock() throws KeeperException, InterruptedException {
zkClient.delete(lockPath, -1);
zkClient.close();
System.out.println(" 锁释放：" + lockPath);
}
}2、TicketSeller
import org.apache.zookeeper.KeeperException;
import java.io.IOException;
public class TicketSeller {
private void sell(){
System.out.println("售票开始");
// 线程随机休眠数毫秒，模拟现实中的费时操作
int sleepMillis = (int) (Math.random() * 2000);
try {
//代表复杂逻辑执行了一段时间
Thread.sleep(sleepMillis);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("售票结束");
}
public void sellTicketWithLock() throws KeeperException, InterruptedException, IOException {
LockSample lock = new LockSample();
lock.acquireLock();
sell();
lock.releaseLock();
}
public static void main(String[] args) throws KeeperException, InterruptedException, IOException {
TicketSeller ticketSeller = new TicketSeller();
for(int i=0;i<1000;i++){
ticketSeller.sellTicketWithLock();
}
}
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