9、Zookeeper分布式锁原理浅析

野性酷女 2023-06-04 13:52 11阅读 0赞

了解Zookeeper的我们都知道，Zookeeper是一种分布式协调服务，在分布式应用中，主要用来实现分布式服务的注册与发现以及分布式锁，本文我们简单介绍一下使用Zookeeper实现分布式锁的简单原理。

使用Zookeeper实现分布式锁，主要是基于Zookeeper的临时顺序节点来实现的，因此首先我们先简单了解一下Zookeeper的Znode类型。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3p5aGx3enk_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
**1、Zookeeper的Znode类型**

Znode分为四种类型：

*  持久化节点（PERSISTENT）

Zookeeper默认的节点类型，该类型的节点创建之后，若客户端与服务端断开连接之前没有执行delete操作，该节点会永久存储于服务端；

*  持久化顺序节点（PERSISTENT\_SEQUENTIAL）

该类型的节点创建之后，若客户端与服务端断开连接之前没有执行delete操作，该节点会永久存储于服务端，同时该类型的节点创建之后，Zookeeper会为该类型的节点在节点名称的基础上增加一个单调递增的编号；

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3p5aGx3enk_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

*  临时节点（EPHEMERAL）

该类型的节点创建完成之后，若客户端与服务端断开连接之前没有执行delete操作，Zookeeper会自动删除该类型的节点；  
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*  临时顺序节点

该类型的节点创建完成之后，若客户端与服务端断开连接之前没有执行delete操作，Zookeeper会自动删除该类型的节点，同时该类型的节点创建之后，Zookeeper会为该类型的节点在节点名称的基础上增加一个单调递增的编号；

**2、什么是分布式锁**

在分布式系统当中，为了防止多个进程（或线程）在对临界资源进行写操作时，造成资源信息的不一致或脏数据的情况发生，需要一个分布式协调技术来对这些分布式的进程（或线程）进行协调，保证多个分布式的进程（或线程）对同一临界资源进行写操作都是同步且有序的，这样的一种分布式协调技术我们就称之为分布式锁。

*  应用场景举例

比如在我们某些电商平台的秒杀活动中，对商品库存进行更新时，就会经常要用到分布式锁。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3p5aGx3enk_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
如上图，假设我们现在有一个商品A，它的总库存是100，客户端发出了4个秒杀请求，每个订单的数量是100个，4个请求到达应用集群后，逻辑处理分别被负载分配到了商品服务A、商品服务B、商品服务C、商品服务D进行处理。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3p5aGx3enk_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
按照正常的业务逻辑，商品库存为100，那么当商品服务A执行完毕并进行商品库存扣减之后，库存就变为0，服务B、C、D执行库存检测时就应该得到库存为0，直接返回库存不足即可。

但是假设我们对商品的库存检查和扣减服务没有做同步处理，那么就有可能出现多个服务同时执行库存扣减的可能性，从而会造成库存的多扣或少扣，对业务造成影响，如果这种情况在电商平台出现，那是相当恐怖的事情。

同时，除了秒杀场景外，账户充值，支付场景中，也都需要用到分布式锁。

*  分布式锁需要具备的条件

1.  在分布式环境下，一个方法同一时刻只能被一台机器上的一个线程执行；
2.  高可用的获取锁，释放锁；
3.  高性能的获取锁，释放锁；
4.  具备可重入特性（可理解为重新进入，由多于一个任务并发使用，而不必担心数据错误）；
5.  具备锁失效机制，避免死锁；
6.  具备非阻塞特性，即没有获取到锁将直接返回获取锁失败；

**3、Zookeeper分布式锁原理浅析**

在对Zookeeper的节点类型有了初步了解之后，咱们就可以简单的介绍一下使用Zookeeper如何来实现分布式锁。

Zookeeper 分布式锁应用了其**临时顺序节点**的特性。具体如何实现呢？让我们来看一看详细步骤：

*  获取锁

首先在Zookeeper中创建一个持久节点ParentLock，当第一个客户端要获取锁时，在ParentLock节点下创建一个临时顺序节点Lock1；  
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接下来客户端1会获取ParentLock下的所有临时顺序子节点并进行排序，然后与自身创建的Lock1比较，判断Lock1是不是最小的（最靠前的），如果是最靠前的，则获取锁成功；  
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此时，假设又有一个客户端2前来获取锁，则在ParentLock下创建一个临时顺序节点Lock2；  
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接下来客户端2会获取ParentLock下的所有临时顺序子节点并进行排序，然后与自身创建的Lock2比较，判断Lock2是不是最小的（最靠前的），结果发现Lock2不是最小的；

于是，Lock2向排序比它靠前的第一个节点Lock1注册一个Watcher，用于监听Lock1是否存在，此时意味着客户端2抢锁失败，客户端2进入等待状态；  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3p5aGx3enk_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]  
此时，假设现在又有一个客户端3前来获取锁，则在ParentLock下创建一个临时顺序节点Lock3；  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3p5aGx3enk_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]  
接下来客户端3将获取ParentLock下的所有临时顺序节点并排序，与自身创建的节点Lock3比较，判断Lock3是不是最小的（最靠前的），结果发现Lock3不是最小的；

于是，Lock3向比它靠前的第一个节点Lock2注册一个Watcher，用于监听Lock2是否存在，此时意味着Lock3也抢锁失败，进入阻塞状态；  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3p5aGx3enk_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]  
这样的话，客户端1获取到了锁，客户端2监听了Lock1、客户端3监听了Lock2；

*  客户端崩溃释放锁（避免死锁）

假设由于网络原因或者其他物理原因，导致客户端1与Zookeeper失去连接，根据临时节点的特性，Zookeeper会自动删除相关联的节点Lock1。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3p5aGx3enk_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]  
Lock1删除之后，因为客户端2在Lock1上注册了Watcher，因此Lock1删除之后，客户端2会立即收到通知，这时客户端2会再次获取ParentLock下的所有临时顺序子节点并进行排序，然后与自身创建的Lock2比较，判断Lock2是不是最小的（最靠前的），结果发现Lock2是最小的，因此客户端2获取锁成功；  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3p5aGx3enk_size_16_color_FFFFFF_t_70 14]  
客户端2崩溃同理；

*  显示释放（客户端任务执行完毕，主动释放锁）

当客户端2执行完任务之后，调用delete方法删除Lock2节点，因为客户端3在Lock2上注册了Watcher，因此Lock2删除之后，客户端3会立即收到通知，这时客户端3会再次获取ParentLock下的所有临时顺序子节点并进行排序，然后与自身创建的Lock3比较，判断Lock3是不是最小的（最靠前的），结果发现Lock3是最小的，因此客户端3获取锁成功；  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3p5aGx3enk_size_16_color_FFFFFF_t_70 15]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3p5aGx3enk_size_16_color_FFFFFF_t_70 16]

**4、小结**

本文简单介绍了Zookeeper的节点类型，分布式锁的概念及应用场景，使用Zookeeper实现分布式锁的简单原理，望对帮助理解Zookeeper实现分布式锁有些许帮助。

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