深入理解zookeeper分布式锁

一、zookeeper简介

Zookeeper是一种分布式开源框架，它可以为分布式应用程序提供协调服务。简单来说，它是一种用于分布式锁实现的工具，从而实现分布式应用程序的协调与管理。Zookeeper提供了一个基于类似文件系统的层次结构来存储和管理数据的接口。锁定机制是Zookeeper最常见的用例之一。

二、分布式锁的应用场景

在分布式系统中，多个应用程序需要同时访问共享资源，同时对于这些共享资源，需要保证一些原子性，从而避免并发问题。分布式锁就可以用来实现这种保证原子性的需求，具体场景如下：

1、分布式缓存：避免缓存击穿和雪崩

2、分布式计数器：避免多节点重复累加

3、分布式任务调度：避免重复执行

三、zookeeper分布式锁的实现原理

zookeeper分布式锁的实现原理主要是通过ZooKeeper的临时节点来实现。一个ZooKeeper节点可以为它所有的子节点设置一个版本号（version）。在创建临时节点时，如果这个节点存在，则它的子节点被称为被“抢占”节点。

对于一个临时节点，它的版本号就是它的zxid，可以通过getChildren或getData两个API访问它所有Byte格式的信息。我们可以利用zxid以及节点的特性，结合原子操作（CAS）来实现分布式锁的互斥。也就是说，每一个获取锁的客户端都在ZooKeeper的某个目录下创建一个临时节点，并将此节点的名称做为锁的名称，每一次加锁都是创建这个临时节点。只有创建该节点的客户端才能请求释放操作，同时，其他客户端在该节点上获取锁时对操作进行阻塞。

public class ZookeeperLock {
    private final String lockPath = "/testLock";
    private ZooKeeper zooKeeper;

    public ZookeeperLock(String connectString) {
        CountDownLatch connectedSignal = new CountDownLatch(1);
        try {
            zooKeeper = new ZooKeeper(connectString, 20000, event -> {
                if (event.getState() == Watcher.Event.KeeperState.SyncConnected) {
                    connectedSignal.countDown();
                }
            });
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException("Failed to connect to ZooKeeper", e);
        }
        try {
            connectedSignal.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
            throw new RuntimeException(e);
        }

        try {
            if (zooKeeper.exists(lockPath, false) == null) {
                zooKeeper.create(lockPath, new byte[]{}, ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);
            }
        } catch (InterruptedException | KeeperException e) {
            throw new RuntimeException("Failed to create lock path in ZooKeeper", e);
        }
    }

    public boolean acquireLock() {
        String lockPath = null;
        try {
            lockPath = zooKeeper.create(this.lockPath + "/", new byte[]{}, ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
            List children = zooKeeper.getChildren(this.lockPath, false);
            Collections.sort(children);

            String smallest = children.get(0);
            String prefix = lockPath.replace(this.lockPath + "/", "");
            if (smallest.equals(prefix)) {
                return true;
            }

            String previous = null;
            for (String child : children) {
                if (child.equals(prefix)) {
                    break;
                }
                previous = child;
            }
            if (previous == null) {
                return false;
            }
            zooKeeper.exists(this.lockPath + "/" + previous, true);
            synchronized (zooKeeper) {
                zooKeeper.wait();
            }
            return true;
        } catch (InterruptedException | KeeperException e) {
            throw new RuntimeException("Failed to acquire lock in ZooKeeper", e);
        } finally {
            try {
                if (lockPath != null) {
                    zooKeeper.delete(lockPath, -1);
                }
            } catch (InterruptedException | KeeperException e) {
                throw new RuntimeException("Failed to release lock in ZooKeeper", e);
            }
        }
    }

    public void releaseLock() {
        synchronized (zooKeeper) {
            zooKeeper.notifyAll();
        }
    }
}

四、zookeeper分布式锁的优化

1、减少锁的争抢

对于Zookeeper来说，如果有很多的线程同时申请锁，或许会导致ZooKeeper网络负担过大，这时候我们可以尝试减少对锁的争抢。具体的方法可以是把任务分发到不同的三级节点下，这样就能减小锁竞争的范围。或是使用读写锁等优化手段。

2、优化watcher机制

在ZooKeeper的临时节点上，客户端注册的Watcher的默认行为是一次性的，当发生事件时，这个Watcher将失效，因此需要在Watcher中反复注册。这种方式在锁争抢较为频繁的场景下，会带来大量的性能损耗。可以考虑使用重复注册 persistent watch。

五、总结

本文主要介绍了分布式锁的概念和其在Zookeeper框架下的应用，以及Zookeeper分布式锁的实现原理和优化方式。对于分布式应用程序的协调和管理，Zookeeper分布式锁是一种非常有效的工具。在实际应用中，需要根据具体情况来进行优化和选择合适的锁机制，才能最大化地发挥Zookeeper分布式锁的作用。