分布式锁：
场景描述
在分布式应用, 往往存在多个进程提供同一服务. 这些进程有可能在相同的机器上, 也有可能分布在不同的机器上. 如果这些进程共享了一些资源, 可能就需要分布式锁来锁定对这些资源的访问.
本文将介绍如何利用zookeeper实现分布式锁.
思路
进程需要访问共享数据时, 就在”/locks”节点下创建一个sequence类型的子节点, 称为thisPath. 当thisPath在所有子节点中最小时, 说明该进程获得了锁. 进程获得锁之后, 就可以访问共享资源了. 访问完成后, 需要将thisPath删除. 锁由新的最小的子节点获得.
有了清晰的思路之后, 还需要补充一些细节. 进程如何知道thisPath是所有子节点中最小的呢? 可以在创建的时候, 通过getChildren方法获取子节点列表, 然后在列表中找到排名比thisPath前1位的节点, 称为waitPath, 然后在waitPath上注册监听, 当waitPath被删除后, 进程获得通知, 此时说明该进程获得了锁.
实现
以一个DistributedClient对象模拟一个进程的形式, 演示zookeeper分布式锁的实现.
public class DistributedClient {
// 超时时间
private static final int SESSION_TIMEOUT = 5000;
// zookeeper server列表
private String hosts = "localhost:4180,localhost:4181,localhost:4182";
private String groupNode = "locks";
private String subNode = "sub";
private ZooKeeper zk;
// 当前client创建的子节点
private String thisPath;
// 当前client等待的子节点
private String waitPath;
private CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
/**
* 连接zookeeper
*/
public void connectZookeeper() throws Exception {
zk = new ZooKeeper(hosts, SESSION_TIMEOUT, new Watcher() {
public void process(WatchedEvent event) {
try {
// 连接建立时, 打开latch, 唤醒wait在该latch上的线程
if (event.getState() == KeeperState.SyncConnected) {
latch.countDown();
}
// 发生了waitPath的删除事件
if (event.getType() == EventType.NodeDeleted && event.getPath().equals(waitPath)) {
doSomething();
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
// 等待连接建立
latch.await();
// 创建子节点
thisPath = zk.create("/" + groupNode + "/" + subNode, null, Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
// wait一小会, 让结果更清晰一些
Thread.sleep(10);
// 注意, 没有必要监听"/locks"的子节点的变化情况
List childrenNodes = zk.getChildren("/" + groupNode, false);
// 列表中只有一个子节点, 那肯定就是thisPath, 说明client获得锁
if (childrenNodes.size() == 1) {
doSomething();
} else {
String thisNode = thisPath.substring(("/" + groupNode + "/").length());
// 排序
Collections.sort(childrenNodes);
int index = childrenNodes.indexOf(thisNode);
if (index == -1) {
// never happened
} else if (index == 0) {
// inddx == 0, 说明thisNode在列表中最小, 当前client获得锁
doSomething();
} else {
// 获得排名比thisPath前1位的节点
this.waitPath = "/" + groupNode + "/" + childrenNodes.get(index - 1);
// 在waitPath上注册监听器, 当waitPath被删除时, zookeeper会回调监听器的process方法
zk.getData(waitPath, true, new Stat());
}
}
}
private void doSomething() throws Exception {
try {
System.out.println("gain lock: " + thisPath);
Thread.sleep(2000);
// do something
} finally {
System.out.println("finished: " + thisPath);
// 将thisPath删除, 监听thisPath的client将获得通知
// 相当于释放锁
zk.delete(this.thisPath, -1);
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread() {
public void run() {
try {
DistributedClient dl = new DistributedClient();
dl.connectZookeeper();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}.start();
}
Thread.sleep(Long.MAX_VALUE);
}
}
思考
思维缜密的朋友可能会想到, 上述的方案并不安全. 假设某个client在获得锁之前挂掉了, 由于client创建的节点是ephemeral类型的, 因此这个节点也会被删除, 从而导致排在这个client之后的client提前获得了锁. 此时会存在多个client同时访问共享资源.
对上面的解释：
现在有subs5 sub6 subs7 subs8几个子节点，当前subs5正获得锁，如果subs6对应的client6挂掉，则subs6被删除--出发了client7那边的监听，导致client7也拿到了锁，导致5和7的客户端同时得到锁。
如何解决这个问题呢? 可以在接到waitPath的删除通知的时候, 进行一次确认, 确认当前的thisPath是否真的是列表中最小的节点.
// 发生了waitPath的删除事件
if (event.getType() == EventType.NodeDeleted && event.getPath().equals(waitPath)) {
// 确认thisPath是否真的是列表中的最小节点
List childrenNodes = zk.getChildren("/" + groupNode, false);
String thisNode = thisPath.substring(("/" + groupNode + "/").length());
// 排序
Collections.sort(childrenNodes);
int index = childrenNodes.indexOf(thisNode);
if (index == 0) {
// 确实是最小节点
doSomething();
} else {
// 说明waitPath是由于出现异常而挂掉的
// 更新waitPath
waitPath = "/" + groupNode + "/" + childrenNodes.get(index - 1);
// 重新注册监听, 并判断此时waitPath是否已删除
if (zk.exists(waitPath, true) == null) {
doSomething();
}
}
}
另外, 由于thisPath和waitPath这2个成员变量会在多个线程中访问, 最好将他们声明为volatile, 以防止出现线程可见性问题.
另一种思路
下面介绍一种更简单, 但是不怎么推荐的解决方案.
每个client在getChildren的时候, 注册监听子节点的变化. 当子节点的变化通知到来时, 再一次通过getChildren获取子节点列表, 判断thisPath是否是列表中的最小节点, 如果是, 则执行资源访问逻辑.
public class DistributedClient2 {
// 超时时间
private static final int SESSION_TIMEOUT = 5000;
// zookeeper server列表
private String hosts = "localhost:4180,localhost:4181,localhost:4182";
private String groupNode = "locks";
private String subNode = "sub";
private ZooKeeper zk;
// 当前client创建的子节点
private volatile String thisPath;
private CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
/**
* 连接zookeeper
*/
public void connectZookeeper() throws Exception {
zk = new ZooKeeper(hosts, SESSION_TIMEOUT, new Watcher() {
public void process(WatchedEvent event) {
try {
// 连接建立时, 打开latch, 唤醒wait在该latch上的线程
if (event.getState() == KeeperState.SyncConnected) {
latch.countDown();
}
// 子节点发生变化
if (event.getType() == EventType.NodeChildrenChanged && event.getPath().equals("/" + groupNode)) {
// thisPath是否是列表中的最小节点
List childrenNodes = zk.getChildren("/" + groupNode, true);
String thisNode = thisPath.substring(("/" + groupNode + "/").length());
// 排序
Collections.sort(childrenNodes);
if (childrenNodes.indexOf(thisNode) == 0) {
doSomething();
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
// 等待连接建立
latch.await();
// 创建子节点
thisPath = zk.create("/" + groupNode + "/" + subNode, null, Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
// wait一小会, 让结果更清晰一些
Thread.sleep(10);
// 监听子节点的变化
List childrenNodes = zk.getChildren("/" + groupNode, true);
// 列表中只有一个子节点, 那肯定就是thisPath, 说明client获得锁
if (childrenNodes.size() == 1) {
doSomething();
}
}
/**
* 共享资源的访问逻辑写在这个方法中
*/
private void doSomething() throws Exception {
try {
System.out.println("gain lock: " + thisPath);
Thread.sleep(2000);
// do something
} finally {
System.out.println("finished: " + thisPath);
// 将thisPath删除, 监听thisPath的client将获得通知
// 相当于释放锁
zk.delete(this.thisPath, -1);
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread() {
public void run() {
try {
DistributedClient2 dl = new DistributedClient2();
dl.connectZookeeper();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}.start();
}
Thread.sleep(Long.MAX_VALUE);
}
}
为什么不推荐这个方案呢? 是因为每次子节点的增加和删除都要广播给所有client, client数量不多时还看不出问题. 如果存在很多client, 那么就可能导致广播风暴--过多的广播通知阻塞了网络. 使用第一个方案, 会使得通知的数量大大下降. 当然第一个方案更复杂一些, 复杂的方案同时也意味着更容易引进bug.
实时更新server列表：
通过之前的3篇博文, 讲述了ZooKeeper的基础知识点. 可以看出, ZooKeeper提供的核心功能是非常简单, 且易于学习的. 可能会给人留下ZooKeeper并不强大的印象, 事实并非如此, 基于ZooKeeper的核心功能, 我们可以扩展出很多非常有意思的应用. 接下来的几篇博文, 将陆续介绍ZooKeeper的典型应用场景.
场景描述
在分布式应用中, 我们经常同时启动多个server, 调用方(client)选择其中之一发起请求.
分布式应用必须考虑高可用性和可扩展性: server的应用进程可能会崩溃, 或者server本身也可能会宕机. 当server不够时, 也有可能增加server的数量. 总而言之, server列表并非一成不变, 而是一直处于动态的增减中.
那么client如何才能实时的更新server列表呢? 解决的方案很多, 本文将讲述利用ZooKeeper的解决方案.
思路
启动server时, 在zookeeper的某个znode(假设为/sgroup)下创建一个子节点. 所创建的子节点的类型应该为ephemeral, 这样一来, 如果server进程崩溃, 或者server宕机, 与zookeeper连接的session就结束了, 那么其所创建的子节点会被zookeeper自动删除. 当崩溃的server恢复后, 或者新增server时, 同样需要在/sgroup节点下创建新的子节点.
对于client, 只需注册/sgroup子节点的监听, 当/sgroup下的子节点增加或减少时, zookeeper会通知client, 此时client更新server列表.
实现AppServer
AppServer的逻辑非常简单, 只须在启动时, 在zookeeper的"/sgroup"节点下新增一个子节点即可.
public class AppServer {
private String groupNode = "sgroup";
private String subNode = "sub";
/**
* 连接zookeeper
* @param address server的地址
*/
public void connectZookeeper(String address) throws Exception {
ZooKeeper zk = new ZooKeeper("localhost:4180,localhost:4181,localhost:4182", 5000, new Watcher() {
public void process(WatchedEvent event) {
// 不做处理
}
});
// 在"/sgroup"下创建子节点
// 子节点的类型设置为EPHEMERAL_SEQUENTIAL, 表明这是一个临时节点, 且在子节点的名称后面加上一串数字后缀
// 将server的地址数据关联到新创建的子节点上
String createdPath = zk.create("/" + groupNode + "/" + subNode, address.getBytes("utf-8"),
Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
System.out.println("create: " + createdPath);
}
/**
* server的工作逻辑写在这个方法中
* 此处不做任何处理, 只让server sleep
*/
public void handle() throws InterruptedException {
Thread.sleep(Long.MAX_VALUE);
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 在参数中指定server的地址
if (args.length == 0) {
System.err.println("The first argument must be server address");
System.exit(1);
}
AppServer as = new AppServer();
as.connectZookeeper(args[0]);
as.handle();
}
}
将其打成appserver.jar后待用, 生成jar时别忘了指定入口函数. 具体的教程请自行搜索.
实现AppClient
AppClient的逻辑比AppServer稍微复杂一些, 需要监听"/sgroup"下子节点的变化事件, 当事件发生时, 需要更新server列表.
注册监听"/sgroup"下子节点的变化事件, 可在getChildren方法中完成. 当zookeeper回调监听器的process方法时, 判断该事件是否是"/sgroup"下子节点的变化事件, 如果是, 则调用更新逻辑, 并再次注册该事件的监听.
public class AppClient {
private String groupNode = "sgroup";
private ZooKeeper zk;
private Stat stat = new Stat();
private volatile List serverList;
/**
* 连接zookeeper
*/
public void connectZookeeper() throws Exception {
zk = new ZooKeeper("localhost:4180,localhost:4181,localhost:4182", 5000, new Watcher() {
public void process(WatchedEvent event) {
// 如果发生了"/sgroup"节点下的子节点变化事件, 更新server列表, 并重新注册监听
if (event.getType() == EventType.NodeChildrenChanged
&& ("/" + groupNode).equals(event.getPath())) {
try {
updateServerList();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
});
updateServerList();
}
/**
* 更新server列表
*/
private void updateServerList() throws Exception {
List newServerList = new ArrayList();
// 获取并监听groupNode的子节点变化
// watch参数为true, 表示监听子节点变化事件.
// 每次都需要重新注册监听, 因为一次注册, 只能监听一次事件, 如果还想继续保持监听, 必须重新注册
List subList = zk.getChildren("/" + groupNode, true);
for (String subNode : subList) {
// 获取每个子节点下关联的server地址
byte[] data = zk.getData("/" + groupNode + "/" + subNode, false, stat);
newServerList.add(new String(data, "utf-8"));
}
// 替换server列表
serverList = newServerList;
System.out.println("server list updated: " + serverList);
}
/**
* client的工作逻辑写在这个方法中
* 此处不做任何处理, 只让client sleep
*/
public void handle() throws InterruptedException {
Thread.sleep(Long.MAX_VALUE);
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
AppClient ac = new AppClient();
ac.connectZookeeper();
ac.handle();
}
}
将其打包成appclient.jar后待用, 别忘了指定入口函数.
运行
在运行jar包之前, 需要确认zookeeper中是否已经存在"/sgroup"节点了, 没有不存在, 则创建该节点. 如果存在, 最好先将其删除, 然后再重新创建. ZooKeeper的相关命令可参考我的另一篇博文.
运行appclient.jar: java -jar appclient.jar 开启多个命令行窗口, 每个窗口运行appserver.jar进程:java -jar appserver.jar server0000. "server0000"表示server的地址, 别忘了给每个server设定一个不同的地址. 观察appclient的输出.
依次结束appserver的进程, 观察appclient的输出.
appclient的输出类似于:
server list updated: []
server list updated: [server0000]
server list updated: [server0000, server0001]
server list updated: [server0000, server0001, server0002]
server list updated: [server0000, server0001, server0002, server0003]
server list updated: [server0000, server0001, server0002]
server list updated: [server0000, server0001]
server list updated: [server0000]
server list updated: []
