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
属性
InterProcessMutex属性如下:
类型 | 名称 | 说明 |
LockInternals | internals | 锁的实现都在该类中,InterProcessMutex通过此类的方法实现锁 |
String | basePath | 锁节点在zk中的根路径 |
ConcurrentMap | threadData | 线程和自己的锁相关数据映射 |
String | LOCK_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 ){ Listchildren = 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);}
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