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ZooKeeper的Curator分布式锁怎么实现

发表于:2024-11-17 作者:千家信息网编辑
千家信息网最后更新 2024年11月17日,本篇内容介绍了"ZooKeeper的Curator分布式锁怎么实现"的有关知识,在实际案例的操作过程中,不少人都会遇到这样的困境,接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧!希望大家仔细阅读,能
千家信息网最后更新 2024年11月17日ZooKeeper的Curator分布式锁怎么实现

本篇内容介绍了"ZooKeeper的Curator分布式锁怎么实现"的有关知识,在实际案例的操作过程中,不少人都会遇到这样的困境,接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧!希望大家仔细阅读,能够学有所成!

    Curator中有着更为标准、规范的分布式锁实现。与其我们自己去实现,不如直接使用Curator。通过学习Curator的源代码,我们也能了解实现分布式锁的最佳实践。

    Curator中有各种分布式锁,本文挑选其中一个---InterProcessMutex进行讲解。

    我们先看一下Curator代码中对于InterProcessMutex的注释:

    可重入的互斥锁,跨JVM工作。使用ZooKeeper来控制锁。所有JVM中的任何进程,只要使用同样的锁路径,将会成为跨进程的一部分。此外,这个排他锁是"公平的",每个用户按照申请的顺序得到排他锁。

    可见InterProcessMutex和我们自己实现的例子都是一个排他锁,此外还可以重入。

    如何使用InterProcessMutex

    在分析InterProcessMutex代码前,我们先看一下它是如何使用的,下面代码简单展示了InterProcessMutex的使用:

        public static void soldTickWithLock(CuratorFramework client) throws Exception {        //创建分布式锁, 锁空间的根节点路径为/curator/lock        InterProcessMutex mutex = new InterProcessMutex(client, "/curator/locks");        mutex.acquire();         //获得了锁, 进行业务流程        //代表复杂逻辑执行了一段时间        int sleepMillis = (int) (Math.random() * 2000);        Thread.sleep(sleepMillis);         //完成业务流程, 释放锁        mutex.release();    }

    使用方式和我们自己编写的锁是一样的,首先通过mutex.acquire()获取锁,该方法会阻塞进程,直到获取锁,然后执行你的业务方法,最后通过 mutex.release()释放锁。

    接下来我们进入正题,展开分析Curator关于分布式锁的实现:

    实现思路

    Curator设计方式和之前我们自己实现的方式是类似的:

    1、创建有序临时节点

    2、触发"尝试取锁逻辑",如果自己是临时锁节点序列的第一个,则取得锁,获取锁成功。

    3、如果自己不是序列中第一个,则监听前一个锁节点变更。同时阻塞线程。

    4、当前一个锁节点变更时,通过watcher恢复线程,然后再次到步骤2"尝试取锁逻辑"

    如下图所示:

    代码实现概述

    Curator对于排它锁的顶层实现逻辑在InterProcessMutex类中,它对客户端暴露锁的使用方法,如获取锁和释放锁等。但锁的上述实现逻辑,是由他持有的LockInternals对象来具体实现的。LockInternals使用StandardLockInternalsDriver类中的方法来做一些处理。

    简单点解释,我们打个比方,Curator好比是一家公司承接各种业务,InterProcessMutex是老板,收到自己客户(client)的需求后,分配给自己的下属LockInternals去具体完成,同时给他一个工具StandardLockInternalsDriver,让他在做任务的过程中使用。如下图展示:

    接下来我们将深入分析InterProcessMutex、LockInternals及StandardLockInternalsDriver类。

    InterProcessMutex源码分析

    InterProcessMutex类是curator中的排它锁类,客户端直接打交道的就是InterProcessMutex。所以我们从顶层开始,先分析InterProcessMutex。

    实现接口

    InterProcessMutex实现了两个接口:

    public class InterProcessMutex implements InterProcessLock, Revocable

    InterProcessLock是分布式锁接口,分布式锁必须实现接口中的如下方法:

    1、获取锁,直到锁可用

    public void acquire() throws Exception;

    2、在指定等待的时间内获取锁。

    public boolean acquire(long time, TimeUnit unit) throws Exception;

    3、释放锁

    public void release() throws Exception;

    4、当前线程是否获取了锁

    boolean isAcquiredInThisProcess();

    以上方法也是InterProcessMutex暴露出来,供客户端在使用分布式锁时调用。

    Revocable,实现该接口的锁,锁是可以被撤销的。本编文章重点讲解锁的实现机制,关于撤销部分不做讨论。

    属性

    InterProcessMutex属性如下:

    类型名称说明
    LockInternalsinternals锁的实现都在该类中,InterProcessMutex通过此类的方法实现锁
    StringbasePath锁节点在zk中的根路径
    ConcurrentMapthreadData线程和自己的锁相关数据映射
    StringLOCK_NAME常量,值为"lock-"。表示锁节点的前缀

    它还有一个内部静态类LockData,也是threadData中保存的value,它定义了锁的相关数据,包括锁所属线程,锁的全路径,和该线程加锁的次数(InterProcessMutex为可重入锁)。代码如下:

    private static class LockData{    final Thread owningThread;    final String lockPath;    final AtomicInteger lockCount = new AtomicInteger(1);    private LockData(Thread owningThread, String lockPath)    {        this.owningThread = owningThread;        this.lockPath = lockPath;    }}

    构造方法

    InterProcessMutex有三个构造方法,根据入参不同,嵌套调用,最终调用的构造方法如下:

    InterProcessMutex(CuratorFramework client, String path, String lockName, int maxLeases, LockInternalsDriver driver){    basePath = PathUtils.validatePath(path);    internals = new LockInternals(client, driver, path, lockName, maxLeases);}

    可见构造方法最终初始化了两个属性,basePath被设置为我们传入的值 "/curator/lock",这是锁的根节点。此外就是初始化了internals,前面说过internals是真正实现锁功能的对象。真正干活的是internals。

    构造完InterProcessMutex对象后,我们看看它是如何工作的。

    方法

    InterProcessMutex实现InterProcessLock接口,关于分布式锁的几个方法都在这个接口中,我们看看InterProcessMutex是如何实现的。

    获得锁

    获得锁有两个方法,区别为是否限定了等待锁的时间长度。其实最终都是调用的私有方法internalLock()。不限定等待时长的代码如下:

    public void acquire() throws Exception{    if ( !internalLock(-1, null) )    {        throw new IOException("Lost connection while trying to acquire lock: " + basePath);    }}

    可以看到internalLock()返回false时,只可能因为连接超时,否则会一直等待获取锁。

    internalLock逻辑如下:

    • 取得当前线程在threadData中的lockData

    • 如果存在该线程的锁数据,说明是锁重入, lockData.lockCount加1,直接返回true。获取锁成功

    • 如果不存在该线程的锁数据,则通过internals.attemptLock()获取锁,此时线程被阻塞,直至获得到锁

    • 锁获取成功后,把锁的信息保存到threadData中。

    • 如果没能获取到锁,则返回false。

    完整代码如下:

    private boolean internalLock(long time, TimeUnit unit) throws Exception{    /*       Note on concurrency: a given lockData instance       can be only acted on by a single thread so locking isn't necessary    */    Thread currentThread = Thread.currentThread();    LockData lockData = threadData.get(currentThread);    if ( lockData != null )    {        // re-entering        lockData.lockCount.incrementAndGet();        return true;    }    String lockPath = internals.attemptLock(time, unit, getLockNodeBytes());    if ( lockPath != null )    {        LockData newLockData = new LockData(currentThread, lockPath);        threadData.put(currentThread, newLockData);        return true;    }    return false;}

    可以看到获取锁的核心代码是internals.attemptLock

    释放锁

    释放锁的方法为release(),逻辑如下:

    从threadData中取得当前线程的锁数据,有如下情况:

    不存在,抛出无此锁的异常

    存在,而且lockCount-1后大于零,说明该线程锁重入了,所以直接返回,并不在zk中释放。

    存在,而且lockCount-1后小于零,说明有某种异常发生,直接抛异常

    存在,而且lockCount-1等于零,这是无重入的正确状态,需要做的就是从zk中删除临时节点,通过internals.releaseLock(),不管结果如何,在threadData中移除该线程的数据。

    InterProcessMutex小结

    分布式锁主要用到的是上面两个方法,InterProcessMutex还有些其他的方法,这里就不做具体讲解,可以自己看一下,实现都不复杂。

    通过对InterProcessMutex的讲解,相信我们已经对锁的获得和释放有了了解,应该也意识到真正实现锁的是LockInternals类。接下来我们将重点讲解LockInternals。

    LockInternals源码分析

    Curator通过zk实现分布式锁的核心逻辑都在LockInternals中,我们按获取锁到释放锁的流程为指引,逐步分析LockInternals的源代码。

    获取锁

    在InterProcessMutex获取锁的代码分析中,可以看到它是通过internals.attemptLock(time, unit, getLockNodeBytes());来获取锁的,那么我们就以这个方法为入口。此方法的逻辑比较简单,如下:

    通过driver在zk上创建锁节点,获得锁节点路径。

    通过internalLockLoop()方法阻塞进程,直到获取锁成功。

    核心代码如下:

    ourPath = driver.createsTheLock(client, path, localLockNodeBytes);hasTheLock = internalLockLoop(startMillis, millisToWait, ourPath);

    我们继续分析internalLockLoop方法,获取锁的核心逻辑在此方法中。

    internalLockLoop中通过while自旋,判断锁如果没有被获取,将不断的去尝试获取锁。

    while循环中逻辑如下:

    • 通过driver查看当前锁节点序号是否排在第一位,如果排在第一位,说明取锁成功,跳出循环

    • 如果没有排在第一位,则监听自己的前序锁节点,然后阻塞线程。

    当前序节点释放了锁,监听会被触发,恢复线程,此时主线程又回到while中第一步。

    重复以上逻辑,直至获取到锁(自己锁的序号排在首位)。

    internalLockLoop方法核心代码如下:

    while ( (client.getState() == CuratorFrameworkState.STARTED) && !haveTheLock ){    List        children = getSortedChildren();    String              sequenceNodeName = ourPath.substring(basePath.length() + 1); // +1 to include the slash     PredicateResults    predicateResults = driver.getsTheLock(client, children, sequenceNodeName, maxLeases);    if ( predicateResults.getsTheLock() )    {        haveTheLock = true;    }    else    {        String  previousSequencePath = basePath + "/" + predicateResults.getPathToWatch();         synchronized(this)        {            try             {                // use getData() instead of exists() to avoid leaving unneeded watchers which is a type of resource leak                client.getData().usingWatcher(watcher).forPath(previousSequencePath);                if ( millisToWait != null )                {                    millisToWait -= (System.currentTimeMillis() - startMillis);                    startMillis = System.currentTimeMillis();                    if ( millisToWait <= 0 )                    {                        doDelete = true;    // timed out - delete our node                        break;                    }                     wait(millisToWait);                }                else                {                    wait();                }            }            catch ( KeeperException.NoNodeException e )             {                // it has been deleted (i.e. lock released). Try to acquire again            }        }    }}

    获取锁的主要代码逻辑我们到这就已经分析完了,可见和我们自己的实现还是基本一样的。此外上面提到了driver对象,也就是StandardLockInternalsDriver类,它提供了一些辅助的方法,比如说在zk创建锁节点,判断zk上锁序列第一位是否为当前锁,锁序列的排序逻辑等。我们就不具体讲解了。

    释放锁

    释放锁的逻辑很简单,移除watcher,删除锁节点。代码如下:

    final void releaseLock(String lockPath) throws Exception{client.removeWatchers();revocable.set(null);deleteOurPath(lockPath);}

    "ZooKeeper的Curator分布式锁怎么实现"的内容就介绍到这里了,感谢大家的阅读。如果想了解更多行业相关的知识可以关注网站,小编将为大家输出更多高质量的实用文章!

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