深入理解zookeeper分散式鎖

一、zookeeper簡介

Zookeeper是一種分散式開源框架，它可以為分散式應用程序提供協調服務。簡單來說，它是一種用於分散式鎖實現的工具，從而實現分散式應用程序的協調與管理。Zookeeper提供了一個基於類似文件系統的層次結構來存儲和管理數據的介面。鎖定機制是Zookeeper最常見的用例之一。

二、分散式鎖的應用場景

在分散式系統中，多個應用程序需要同時訪問共享資源，同時對於這些共享資源，需要保證一些原子性，從而避免並發問題。分散式鎖就可以用來實現這種保證原子性的需求，具體場景如下：

1、分散式緩存：避免緩存擊穿和雪崩

2、分散式計數器：避免多節點重複累加

3、分散式任務調度：避免重複執行

三、zookeeper分散式鎖的實現原理

zookeeper分散式鎖的實現原理主要是通過ZooKeeper的臨時節點來實現。一個ZooKeeper節點可以為它所有的子節點設置一個版本號（version）。在創建臨時節點時，如果這個節點存在，則它的子節點被稱為被「搶佔」節點。

對於一個臨時節點，它的版本號就是它的zxid，可以通過getChildren或getData兩個API訪問它所有Byte格式的信息。我們可以利用zxid以及節點的特性，結合原子操作（CAS）來實現分散式鎖的互斥。也就是說，每一個獲取鎖的客戶端都在ZooKeeper的某個目錄下創建一個臨時節點，並將此節點的名稱做為鎖的名稱，每一次加鎖都是創建這個臨時節點。只有創建該節點的客戶端才能請求釋放操作，同時，其他客戶端在該節點上獲取鎖時對操作進行阻塞。

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分散式鎖的優化

1、減少鎖的爭搶

對於Zookeeper來說，如果有很多的線程同時申請鎖，或許會導致ZooKeeper網路負擔過大，這時候我們可以嘗試減少對鎖的爭搶。具體的方法可以是把任務分發到不同的三級節點下，這樣就能減小鎖競爭的範圍。或是使用讀寫鎖等優化手段。

2、優化watcher機制

在ZooKeeper的臨時節點上，客戶端註冊的Watcher的默認行為是一次性的，當發生事件時，這個Watcher將失效，因此需要在Watcher中反覆註冊。這種方式在鎖爭搶較為頻繁的場景下，會帶來大量的性能損耗。可以考慮使用重複註冊 persistent watch。

五、總結

本文主要介紹了分散式鎖的概念和其在Zookeeper框架下的應用，以及Zookeeper分散式鎖的實現原理和優化方式。對於分散式應用程序的協調和管理，Zookeeper分散式鎖是一種非常有效的工具。在實際應用中，需要根據具體情況來進行優化和選擇合適的鎖機制，才能最大化地發揮Zookeeper分散式鎖的作用。