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面试官问我：Zookeeper实现分布式锁的原理是什么？

news 来源：原创 2024/5/17 20:22:47

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（一）引言

在单体环境中，遇到临界资源的时候我们会使用Synchronized或者RetreenLock在调用临界资源前上锁。但是在分布式的环境下，锁住单体资源就不起作用了，这个时候就需要用到分布式锁。分布式锁的原理就是借用外部的一个系统来充当锁的作用，比如Mysql、Redis、Zookeeper等都可以用作分布式锁。在实际业务中，Redis和Zookeeper用到的最多。

（二）Zookeeper锁的原理

锁分为两种：共享锁（读锁）和排他锁（写锁）
读锁：当有一个线程获取读锁后，其他线程也可以获取读锁，但是在读锁没有完全被释放之前，其他线程不能获取写锁。
写锁：当有一个线程获取写锁后，其他线程就无法获取读锁和写锁了。

zookeeper有一种节点类型叫做临时序号节点，它会按序号自增地创建临时节点，这正好可以作为分布式锁的实现工具。

读锁获取原理：
1、根据资源的id创建临时序号节点：/lock/mylockR0000000005 Read
2、获取/lock下的所有子节点，判断比他小的节点是否全是读锁，如果是读锁则获取锁成功
3、如果不是，则阻塞等待，监听自己的前一个节点。
4、当前面一个节点发生变更时，重新执行第二步操作。

写锁获取原理：
1、根据资源的id创建临时序号节点：/lock/mylockW0000000006 Write
2、获取 /lock 下所有子节点，判断最小的节点是否为自己，如果是则获锁成功
3、如果不是，则阻塞等待，监听自己的前一个节点
4、当前面一个节点发生变更时，重新执行第二步。

通过一张图更清晰地看出现象：首先是写锁，因为写锁不是最前面的节点，所以阻塞了，008读锁因为前面并不是所有都是读锁，所以阻塞了

Zookeeper分布式锁原理
释放锁：
删除对应的临时节点即可，如果服务器宕机了，因为临时节点的原理也不会发生死锁的情况。

（三）代码实现

真实的场景中，一般来说为了效率不会上读锁，想想看如果有人在查看数据，你就不能去修改了，这样效率是不是特别低。这里用代码实现分布式写锁，首先自己定义一个锁类

@Data
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
public class Lock {
    private String lockId;
    private String path;
    private boolean active;

    public Lock(String lockId, String nodePath) {
        this.lockId=lockId;
        this.path=nodePath;
    }
}

再通过Zookeeper写一个加锁工具类，代码已经给了注释，里面的实现原理和上面所讲的写锁获取原理一致：

public class ZookeeperLock {
    private String server="192.168.78.128:2181";
    private ZkClient zkClient;
    private static final String rootPath="/lock";


    //初始化ZkClient，并创建根节点
    public ZookeeperLock(){
        zkClient=new ZkClient(server,5000,20000);
        buildRoot();
    }

    //创建根节点
    public void buildRoot(){
        //如果根节点不存在，就创建
        if (!zkClient.exists(rootPath)){
            zkClient.createPersistent(rootPath);
            System.out.println("创建根节点成功");
        }
    }

    public Lock lock(String lockId,long timeout){
        //创建一个临时节点
        Lock lockNode=createLockNode(lockId);
        //尝试去激活锁
        lockNode=tryActiveLock(lockNode);
        //如果没有激活，则等待timeout的时间
        if (!lockNode.isActive()){
            try {
                synchronized (lockNode){
                    lockNode.wait(timeout);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //timeout时间内节点还未释放，就报lock timeout错误
        if (!lockNode.isActive()){
            throw new RuntimeException("lock timeout");
        }
        return lockNode;
    }

    //释放锁
    public void unlock(Lock lock){
        if (lock.isActive()){
            zkClient.delete(lock.getPath());
        }
    }
    
    //尝试激活锁
    private Lock tryActiveLock(Lock lockNode){
        //获取所有的子节点
        List<String> childList = zkClient.getChildren(rootPath)
                .stream()
                .sorted()
                .map(p -> rootPath + "/" + p)
                .collect(Collectors.toList());
        //获取第一个元素
        String firstNodePath = childList.get(0);
        //如果自己就是第一个节点，就激活锁
        if (firstNodePath.equals(lockNode.getPath())){
            lockNode.setActive(true);
        }else {
            //否则监听前一个锁
            String upNodePath = childList.get(childList.indexOf(lockNode.getPath())-1);
            zkClient.subscribeDataChanges(upNodePath, new IZkDataListener() {
                @Override
                public void handleDataChange(String s, Object o) throws Exception {

                }
                //如果前面一个节点被删除了，再次尝试获取锁
                @Override
                public void handleDataDeleted(String s) throws Exception {
                    System.out.println("节点删除"+s);
                    Lock lock=tryActiveLock(lockNode);
                    synchronized (lockNode){
                        if (lock.isActive()){
                            lockNode.notify();
                        }
                    }
                    zkClient.unsubscribeDataChanges(upNodePath,this);
                }
            });
        }
        return lockNode;
    }

    public Lock createLockNode(String lockId) {
        String nodePath = zkClient.createEphemeralSequential(rootPath + "/" + lockId, "lock");
        return new Lock(lockId, nodePath);
    }

}

（四）测试

上面写的这个工具类，以后可以直接拿过来用，我们来测试一下，首先是不加锁开100个线程去加一个变量：

public class Test {
    private int flag=0;
    private ZookeeperLock zookeeperLock=new ZookeeperLock();
    @Test
    public void testLock() throws InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            executorService.submit(()->{
                flag++;
            });
        }

        executorService.shutdown();
        executorService.awaitTermination(10, TimeUnit.SECONDS);
        System.out.println(flag);
    }
}

最后的返回结果永远到不了100，因为存在更新丢失。
加上锁：

public class Test {
    private int flag=0;
    private ZookeeperLock zookeeperLock=new ZookeeperLock();
    @Test
    public void testLock() throws InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            executorService.submit(()->{
                Lock lock = zookeeperLock.lock("myLock", 60 * 1000);
                flag++;
                zookeeperLock.unlock(lock);
            });
        }

        executorService.shutdown();
        executorService.awaitTermination(10, TimeUnit.SECONDS);
        System.out.println(flag);
    }
}