使用ZooKeeper实现分布式队列、分布式锁和选举详解
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2021-07-31 21:24
ZooKeeper源码的zookeeper-recipes目录下提供了分布式队列、分布式锁和选举的实现（GitHub地址：https://github.com/apache/zookeeper/tree/master/zookeeper-recipes）。本文主要对这几种实现做实现原理的解析和源码剖析：
1、分布式队列
使用路径为/queue的znode下的节点表示队列中的元素。/queue下的节点都是顺序持久化znode。这些znode名字的后缀数字表示了对应队列元素在队列中的位置。znode名字后缀数字越小，对应队列元素在队列中的位置越靠前
1）、offer方法
offer方法在/queue下面创建一个顺序znode。因为znode的后缀数字是/queue下面现有znode最大后缀数字加1，所以该znode对应的队列元素处于队尾
public class DistributedQueue {
public boolean offer(byte[] data) throws KeeperException, InterruptedException {
for (; ; ) {
try {
zookeeper.create(dir + "/" + prefix, data, acl, CreateMode.PERSISTENT_SEQUENTIAL);
return true;
} catch (KeeperException.NoNodeException e) {
zookeeper.create(dir, new byte[0], acl, CreateMode.PERSISTENT);
}
}
}
2）、element方法
public class DistributedQueue {
public byte[] element() throws NoSuchElementException, KeeperException, InterruptedException {
Map<Long, String> orderedChildren;
while (true) {
try {
//获取所有排好序的子节点
orderedChildren = orderedChildren(null);
} catch (KeeperException.NoNodeException e) {
throw new NoSuchElementException();
}
if (orderedChildren.size() == 0) {
throw new NoSuchElementException();
}
//返回队头节点的数据
for (String headNode : orderedChildren.values()) {
if (headNode != null) {
try {
return zookeeper.getData(dir + "/" + headNode, false, null);
} catch (KeeperException.NoNodeException e) {
//另一个客户端已经移除了队头节点,尝试获取下一个节点
}
}
}
}
}
private Map<Long, String> orderedChildren(Watcher watcher) throws KeeperException, InterruptedException {
Map<Long, String> orderedChildren = new TreeMap<>();
List<String> childNames;
childNames = zookeeper.getChildren(dir, watcher);
for (String childName : childNames) {
try {
if (!childName.regionMatches(0, prefix, 0, prefix.length())) {
LOG.warn("Found child node with improper name: {}", childName);
continue;
}
String suffix = childName.substring(prefix.length());
Long childId = Long.parseLong(suffix);
orderedChildren.put(childId, childName);
} catch (NumberFormatException e) {
LOG.warn("Found child node with improper format : {}", childName, e);
}
}
return orderedChildren;
}
3）、remove方法
public class DistributedQueue {
public byte[] remove() throws NoSuchElementException, KeeperException, InterruptedException {
Map<Long, String> orderedChildren;
while (true) {
try {
//获取所有排好序的子节点
orderedChildren = orderedChildren(null);
} catch (KeeperException.NoNodeException e) {
throw new NoSuchElementException();
}
if (orderedChildren.size() == 0) {
throw new NoSuchElementException();
}
//移除队头节点
for (String headNode : orderedChildren.values()) {
String path = dir + "/" + headNode;
try {
byte[] data = zookeeper.getData(path, false, null);
zookeeper.delete(path, -1);
return data;
} catch (KeeperException.NoNodeException e) {
//另一个客户端已经移除了队头节点,尝试移除下一个节点
}
}
}
}
2、分布式锁
1）、排他锁
排他锁的核心是如何保证当前有且仅有一个事务获取锁，并且锁被释放后，所有正在等待获取锁的事务都能够被通知到
定义锁
通过在ZooKeeper上创建一个子节点来表示一个锁，例如/exclusive_lock/lock节点就可以被定义为一个锁
获取锁
在需要获取排他锁时，所有的客户端都会试图通过调用create()接口，在/exclusive_lock节点下创建临时子节点/exclusive_lock/lock。ZooKeeper会保证在所有的客户端中，最终只有一个客户能够创建成功，那么就可以认为该客户端获取了锁。
同时，所有没有获取到锁的客户端就需要到/exclusive_lock节点上注册一个子节点变更的watcher监听，以便实时监听到lock节点的变更情况
释放锁
/exclusive_lock/lock是一个临时节点，因此在以下两种情况下，都有可能释放锁
当前获取锁的客户端机器发生宕机，那么ZooKeeper上的这个临时节点就会被移除 正常执行完业务逻辑后，客户端就会主动将自己创建的临时节点删除
无论在什么情况下移除了lock节点，ZooKeeper都会通知所有在/exclusive_lock节点上注册了子节点变更watcher监听的客户端。这些客户端在接收到通知后，再次重新发起分布式锁获取，即重复获取锁过程
2）、羊群效应
上面的排他锁的实现可能引发羊群效应：当一个特定的znode改变的时候ZooKeeper触发了所有watcher的事件，由于通知的客户端很多，所以通知操作会造成ZooKeeper性能突然下降，这样会影响ZooKeeper的使用
改进后的分布式锁实现
获取锁
首先，在Zookeeper当中创建一个持久节点ParentLock。当第一个客户端想要获得锁时，需要在ParentLock这个节点下面创建一个临时顺序节点Lock1
之后，Client1查找ParentLock下面所有的临时顺序节点并排序，判断自己所创建的节点Lock1是不是顺序最靠前的一个。如果是第一个节点，则成功获得锁
这时候，如果再有一个客户端Client2前来获取锁，则在ParentLock下再创建一个临时顺序节点Lock2
Client2查找ParentLock下面所有的临时顺序节点并排序，判断自己所创建的节点Lock2是不是顺序最靠前的一个，结果发现节点Lock2并不是最小的
于是，Client2向排序仅比它靠前的节点Lock1注册watcher，用于监听Lock1节点是否存在。这意味着Client2抢锁失败，进入了等待状态
这时候，如果又有一个客户端Client3前来获取锁，则在ParentLock下再创建一个临时顺序节点Lock3
Client3查找ParentLock下面所有的临时顺序节点并排序，判断自己所创建的节点Lock3是不是顺序最靠前的一个，结果同样发现节点Lock3并不是最小的
于是，Client3向排序仅比它靠前的节点Lock2注册watcher，用于监听Lock2节点是否存在。这意味着Client3同样抢锁失败，进入了等待状态
这样一来，Client1得到了锁，Client2监听了Lock1，Client3监听了Lock2。这恰恰形成了一个等待队列，很像是Java当中ReentrantLock所依赖的AQS
释放锁
释放锁分为两种情况：
1.任务完成，客户端显示释放
当任务完成时，Client1会显示调用删除节点Lock1的指令
2.任务执行过程中，客户端崩溃
获得锁的Client1在任务执行过程中，如果客户端崩溃，则会断开与Zookeeper服务端的连接。根据临时节点的特性，相关联的节点Lock1会随之自动删除
由于Client2一直监听着Lock1的存在状态，当Lock1节点被删除，Client2会立刻收到通知。这时候Client2会再次查询ParentLock下面的所有节点，确认自己创建的节点Lock2是不是目前最小的节点。如果是最小，则Client2获得了锁
同理，如果Client2也因为任务完成或者节点崩溃而删除了节点Lock2，那么Client3就会接到通知
最终，Client3成功得到了锁
3）、共享锁
共享锁又称为读锁，在同一时刻可以允许多个线程访问，典型的就是ReentrantReadWriteLock里的读锁，它的读锁是可以被共享的，但是它的写锁确实每次只能被独占
定义锁
和排他锁一样，同样是通过ZooKeeper上的数据节点来表示一个锁，是一个类似于/shared_lock/[Hostname]-请求类型-序号的临时顺序节点，例如/shared_lock/192.168.0.1-R-0000000001，那么，这个节点就代表了一个共享锁，如下图所示：
获取锁
在需要获取共享锁时，所有客户端都会到/shared_lock这个节点下面创建一个临时顺序节点，如果当前是读请求，那么就创建例如/shared_lock/192.168.0.1-R-0000000001的节点；如果是写请求，那么就创建例如/shared_lock/192.168.0.1-W-0000000001的节点
判断读写顺序
每个锁竞争者，只需要关注/shared_lock节点下序号比自己小的那个节点是否存在即可，具体实现如下：
1）客户端调用create()方法创建一个类似于/shared_lock/[Hostname]-请求类型-序号的临时顺序节点
2）客户端调用getChildren()接口来获取所有已经创建的子节点列表
3）判断是否可以获取共享锁：
读请求：没有比自己序号小的节点或者所有比自己序号小的节点都是读请求 写请求：序号是否最小
4）如果无法获取共享锁，那么就调用exist()来对比自己小的那个节点注册watcher
读请求：向比自己序号小的最后一个写请求节点注册watcher监听 写请求：向比自己序号小的最后一个节点注册watcher监听
5）等待watcher通知，继续进入步骤2
释放锁
释放锁的逻辑和排他锁是一致的
整个共享锁的获取和释放流程如下图：
4）、排他锁源码解析
1）加锁过程
public class WriteLock extends ProtocolSupport {
public synchronized boolean lock() throws KeeperException, InterruptedException {
if (isClosed()) {
return false;
}
//确认持久父节点是否存在
ensurePathExists(dir);
//真正获取锁的逻辑 调用ProtocolSupport的retryOperation()方法
return (Boolean) retryOperation(zop);
}
class ProtocolSupport {
protected Object retryOperation(ZooKeeperOperation operation)
throws KeeperException, InterruptedException {
KeeperException exception = null;
for (int i = 0; i < RETRY_COUNT; i++) {
try {
//调用LockZooKeeperOperation的execute()方法
return operation.execute();
} catch (KeeperException.SessionExpiredException e) {
LOG.warn("Session expired {}. Reconnecting...", zookeeper, e);
throw e;
} catch (KeeperException.ConnectionLossException e) {
if (exception == null) {
exception = e;
}
LOG.debug("Attempt {} failed with connection loss. Reconnecting...", i);
retryDelay(i);
}
}
throw exception;
}
public class WriteLock extends ProtocolSupport {
private class LockZooKeeperOperation implements ZooKeeperOperation {
private void findPrefixInChildren(String prefix, ZooKeeper zookeeper, String dir)
throws KeeperException, InterruptedException {
List<String> names = zookeeper.getChildren(dir, false);
for (String name : names) {
if (name.startsWith(prefix)) {
id = name;
LOG.debug("Found id created last time: {}", id);
break;
}
}
if (id == null) {
id = zookeeper.create(dir + "/" + prefix, data, getAcl(), EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
LOG.debug("Created id: {}", id);
}
}
@SuppressFBWarnings(
value = "NP_NULL_PARAM_DEREF_NONVIRTUAL",
justification = "findPrefixInChildren will assign a value to this.id")
public boolean execute() throws KeeperException, InterruptedException {
do {
if (id == null) {
long sessionId = zookeeper.getSessionId();
String prefix = "x-" + sessionId + "-";
//创建临时顺序节点
findPrefixInChildren(prefix, zookeeper, dir);
idName = new ZNodeName(id);
}
//获取所有子节点
List<String> names = zookeeper.getChildren(dir, false);
if (names.isEmpty()) {
LOG.warn("No children in: {} when we've just created one! Lets recreate it...", dir);
id = null;
} else {
//对所有子节点进行排序
SortedSet<ZNodeName> sortedNames = new TreeSet<>();
for (String name : names) {
sortedNames.add(new ZNodeName(dir + "/" + name));
}
ownerId = sortedNames.first().getName();
SortedSet<ZNodeName> lessThanMe = sortedNames.headSet(idName);
//是否存在序号比自己小的节点
if (!lessThanMe.isEmpty()) {
ZNodeName lastChildName = lessThanMe.last();
lastChildId = lastChildName.getName();
LOG.debug("Watching less than me node: {}", lastChildId);
//有序号比自己小的节点,则调用exist()向前一个节点注册watcher
Stat stat = zookeeper.exists(lastChildId, new LockWatcher());
if (stat != null) {
return Boolean.FALSE;
} else {
LOG.warn("Could not find the stats for less than me: {}", lastChildName.getName());
}
}
//没有序号比自己小的节点,则获取锁
else {
if (isOwner()) {
LockListener lockListener = getLockListener();
if (lockListener != null) {
lockListener.lockAcquired();
}
return Boolean.TRUE;
}
}
}
}
while (id == null);
return Boolean.FALSE;
}
2）解锁过程
public class WriteLock extends ProtocolSupport {
public synchronized void unlock() throws RuntimeException {
if (!isClosed() && id != null) {
try {
//删除当前节点,此时会触发后一个节点的watcher
ZooKeeperOperation zopdel = () -> {
zookeeper.delete(id, -1);
return Boolean.TRUE;
};
zopdel.execute();
} catch (InterruptedException e) {
LOG.warn("Unexpected exception", e);
Thread.currentThread().interrupt();
} catch (KeeperException.NoNodeException e) {
} catch (KeeperException e) {
LOG.warn("Unexpected exception", e);
throw new RuntimeException(e.getMessage(), e);
} finally {
LockListener lockListener = getLockListener();
if (lockListener != null) {
lockListener.lockReleased();
}
id = null;
}
}
}
3、选举
使用临时顺序znode来表示选举请求，创建最小后缀数字znode的选举请求成功。在协同设计上和分布式锁是一样的，不同之处在于具体实现。不同于分布式锁，选举的具体实现对选举的各个阶段做了细致的监控
public class LeaderElectionSupport implements Watcher {
public synchronized void start() {
state = State.START;
dispatchEvent(EventType.START);
LOG.info("Starting leader election support");
if (zooKeeper == null) {
throw new IllegalStateException(
"No instance of zookeeper provided. Hint: use setZooKeeper()");
}
if (hostName == null) {
throw new IllegalStateException(
"No hostname provided. Hint: use setHostName()");
}
try {
//发起选举请求 创建临时顺序节点
makeOffer();
//选举请求是否被满足
determineElectionStatus();
} catch (KeeperException | InterruptedException e) {
becomeFailed(e);
}
}
private void makeOffer() throws KeeperException, InterruptedException {
state = State.OFFER;
dispatchEvent(EventType.OFFER_START);
LeaderOffer newLeaderOffer = new LeaderOffer();
byte[] hostnameBytes;
synchronized (this) {
newLeaderOffer.setHostName(hostName);
hostnameBytes = hostName.getBytes();
newLeaderOffer.setNodePath(zooKeeper.create(rootNodeName + "/" + "n_",
hostnameBytes, ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL));
leaderOffer = newLeaderOffer;
}
LOG.debug("Created leader offer {}", leaderOffer);
dispatchEvent(EventType.OFFER_COMPLETE);
}
private void determineElectionStatus() throws KeeperException, InterruptedException {
state = State.DETERMINE;
dispatchEvent(EventType.DETERMINE_START);
LeaderOffer currentLeaderOffer = getLeaderOffer();
String[] components = currentLeaderOffer.getNodePath().split("/");
currentLeaderOffer.setId(Integer.valueOf(components[components.length - 1].substring("n_".length())));
//获取所有子节点并排序
List<LeaderOffer> leaderOffers = toLeaderOffers(zooKeeper.getChildren(rootNodeName, false));
for (int i = 0; i < leaderOffers.size(); i++) {
LeaderOffer leaderOffer = leaderOffers.get(i);
if (leaderOffer.getId().equals(currentLeaderOffer.getId())) {
LOG.debug("There are {} leader offers. I am {} in line.", leaderOffers.size(), i);
dispatchEvent(EventType.DETERMINE_COMPLETE);
//如果当前节点是第一个,则成为Leader
if (i == 0) {
becomeLeader();
}
//如果有选举请求在当前节点前面,则进行等待,调用exist()向前一个节点注册watcher
else {
becomeReady(leaderOffers.get(i - 1));
}
break;
}
}
}
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