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Zookeeper的分布式鎖的實現(xiàn)方式

發(fā)布時間：2021-09-06 17:58:17 來源：億速云 閱讀：191 作者：chen 欄目：軟件技術(shù)

這篇文章主要講解了“Zookeeper的分布式鎖的實現(xiàn)方式”，文中的講解內(nèi)容簡單清晰，易于學(xué)習(xí)與理解，下面請大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來研究和學(xué)習(xí)“Zookeeper的分布式鎖的實現(xiàn)方式”吧！


1. 背景

最近在學(xué)習(xí) Zookeeper，在剛開始接觸 Zookeeper 的時候，完全不知道 Zookeeper 有什么用。且很多資料都是將 Zookeeper 描述成一個“類 Unix/Linux 文件系統(tǒng)”的中間件，導(dǎo)致我很難將類 Unix/Linux 文件系統(tǒng)的 Zookeeper 和分布式應(yīng)用聯(lián)系在一起。后來在粗讀了《ZooKeeper 分布式過程協(xié)同技術(shù)詳解》和《從Paxos到Zookeeper 分布式一致性原理與實踐》兩本書，并動手寫了一些 CURD demo 后，初步對 Zookeeper 有了一定的了解。不過比較膚淺，為了進一步加深對 Zookeeper 的認識，我利用空閑時間編寫了本篇文章對應(yīng)的 demo – 基于 Zookeeper 的分布式鎖實現(xiàn)。通過編寫這個分布式鎖 demo，使我對 Zookeeper 的 watcher 機制、Zookeeper 的用途等有了更進一步的認識。不過我所編寫的分布式鎖還是比較簡陋的，實現(xiàn)的也不夠優(yōu)美，僅僅是個練習(xí)，僅供參考使用。好了，題外話就說到這里，接下來我們就來聊聊基于 Zookeeper 的分布式鎖實現(xiàn)。

2. 獨占鎖和讀寫鎖的實現(xiàn)

在本章，我將分別說明獨占鎖和讀寫鎖詳細的實現(xiàn)過程，并配以相應(yīng)的流程圖幫助大家了解實現(xiàn)的過程。這里先說說獨占鎖的實現(xiàn)。

2.1 獨占鎖的實現(xiàn)

獨占鎖又稱排它鎖，從字面意思上很容易理解他們的用途。即如果某個操作 O1 對訪問資源 R1 的過程加鎖，在操作 O1 結(jié)束對資源 R1 訪問前，其他操作不允許訪問資源 R1。以上算是對獨占鎖的簡單定義了，那么這段定義在 Zookeeper 的“類 Unix/Linux 文件系統(tǒng)”的結(jié)構(gòu)中是怎樣實現(xiàn)的呢？在鎖答案前，我們先看張圖：

Zookeeper的分布式鎖的實現(xiàn)方式

圖1 獨占鎖的 Zookeeper 節(jié)點結(jié)構(gòu)

如上圖，對于獨占鎖，我們可以將資源 R1 看做是 lock 節(jié)點，操作 O1 訪問資源 R1 看做創(chuàng)建 lock 節(jié)點，釋放資源 R1 看做刪除 lock 節(jié)點。這樣我們就將獨占鎖的定義對應(yīng)于具體的 Zookeeper 節(jié)點結(jié)構(gòu)，通過創(chuàng)建 lock 節(jié)點獲取鎖，刪除節(jié)點釋放鎖。詳細的過程如下：

  1. 多個客戶端競爭創(chuàng)建 lock 臨時節(jié)點
  2. 其中某個客戶端成功創(chuàng)建 lock 節(jié)點，其他客戶端對 lock 節(jié)點設(shè)置 watcher
  3. 持有鎖的客戶端刪除 lock 節(jié)點或該客戶端崩潰，由 Zookeeper 刪除 lock 節(jié)點
  4. 其他客戶端獲得 lock 節(jié)點被刪除的通知
  5. 重復(fù)上述4個步驟，直至無客戶端在等待獲取鎖了
上面即獨占鎖具體的實現(xiàn)步驟，理解起來并不復(fù)雜，這里不再贅述。

Zookeeper的分布式鎖的實現(xiàn)方式

圖2 獲取獨占鎖流程圖

2.2 讀寫鎖的實現(xiàn)

說完獨占鎖的實現(xiàn)，這節(jié)來說說讀寫鎖的實現(xiàn)。讀寫鎖包含一個讀鎖和寫鎖，操作 O1 對資源 R1 加讀鎖，且獲得了鎖，其他操作可同時對資源 R1 設(shè)置讀鎖，進行共享讀操作。如果操作 O1 對資源 R1 加寫鎖，且獲得了鎖，其他操作再對資源 R1 設(shè)置不同類型的鎖都會被阻塞。總結(jié)來說，讀鎖具有共享性，而寫鎖具有排他性。那么在 Zookeeper 中，我們可以用怎樣的節(jié)點結(jié)構(gòu)實現(xiàn)上面的操作呢？

Zookeeper的分布式鎖的實現(xiàn)方式

圖3 讀寫鎖的 Zookeeper 節(jié)點結(jié)構(gòu)
在 Zookeeper 中，由于讀寫鎖和獨占鎖的節(jié)點結(jié)構(gòu)不同，讀寫鎖的客戶端不用再去競爭創(chuàng)建 lock 節(jié)點。所以在一開始，所有的客戶端都會創(chuàng)建自己的鎖節(jié)點。如果不出意外，所有的鎖節(jié)點都能被創(chuàng)建成功，此時鎖節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖3所示。之后，客戶端從 Zookeeper 端獲取 /share_lock 下所有的子節(jié)點，并判斷自己能否獲取鎖。如果客戶端創(chuàng)建的是讀鎖節(jié)點，獲取鎖的條件（滿足其中一個即可）如下：
  1. 自己創(chuàng)建的節(jié)點序號排在所有其他子節(jié)點前面
  2. 自己創(chuàng)建的節(jié)點前面無寫鎖節(jié)點
如果客戶端創(chuàng)建的是寫鎖節(jié)點，由于寫鎖具有排他性。所以獲取鎖的條件要簡單一些，只需確定自己創(chuàng)建的鎖節(jié)點是否排在其他子節(jié)點前面即可。
不同于獨占鎖，讀寫鎖的實現(xiàn)稍微復(fù)雜一下。讀寫鎖有兩種實現(xiàn)方式，各有異同，接下來就來說說這兩種實現(xiàn)方式。
讀寫鎖的第一種實現(xiàn)
第一種實現(xiàn)是對 /share_lock 節(jié)點設(shè)置 watcher，當(dāng) /share_lock 下的子節(jié)點被刪除時，未獲取鎖的客戶端收到 /share_lock 子節(jié)點變動的通知。在收到通知后，客戶端重新判斷自己創(chuàng)建的子節(jié)點是否可以獲取鎖，如果失敗，再次等待通知。詳細流程如下：
  1. 所有客戶端創(chuàng)建自己的鎖節(jié)點
  2. 從 Zookeeper 端獲取 /share_lock 下所有的子節(jié)點，并對 /share_lock 節(jié)點設(shè)置 watcher
  3. 判斷自己創(chuàng)建的鎖節(jié)點是否可以獲取鎖，如果可以，持有鎖。

    否則繼續(xù)等待

  4. 持有鎖的客戶端刪除自己的鎖節(jié)點，其他客戶端收到 /share_lock 子節(jié)點變動的通知
  5. 重復(fù)步驟2、3、4，直至無客戶端在等待獲取鎖了
上述步驟對于的流程圖如下：

Zookeeper的分布式鎖的實現(xiàn)方式

圖4 獲取讀寫鎖實現(xiàn)1流程圖
上面獲取讀寫鎖流程并不復(fù)雜，但卻存在性能問題。以圖3所示鎖節(jié)點結(jié)構(gòu)為例，第一個鎖節(jié)點 host1-W-0000000001 被移除后，Zookeeper 會將 /share_lock 子節(jié)點變動的通知分發(fā)給所有的客戶端。但實際上，該子節(jié)點變動通知除了能影響 host2-R-0000000002 節(jié)點對應(yīng)的客戶端外，分發(fā)給其他客戶端則是在做無用功，因為其他客戶端即使獲取了通知也無法獲取鎖。所以這里需要做一些優(yōu)化，優(yōu)化措施是讓客戶端只在自己關(guān)心的節(jié)點被刪除時，再去獲取鎖。
讀寫鎖的第二種實現(xiàn)
在了解讀寫鎖第一種實現(xiàn)的弊端后，我們針對這一實現(xiàn)進行優(yōu)化。這里客戶端不再對 /share_lock 節(jié)點進行監(jiān)視，而只對自己關(guān)心的節(jié)點進行監(jiān)視。還是以圖3的鎖節(jié)點結(jié)構(gòu)進行舉例說明，host2-R-0000000002 對應(yīng)的客戶端 C2 只需監(jiān)視 host1-W-0000000001 節(jié)點是否被刪除即可。而 host3-W-0000000003 對應(yīng)的客戶端 C3 只需監(jiān)視 host2-R-0000000002 節(jié)點是否被刪除即可，只有 host2-R-0000000002 節(jié)點被刪除，客戶端 C3 才能獲取鎖。而 host1-W-0000000001 節(jié)點被刪除時，產(chǎn)生的通知對于客戶端 C3 來說是無用的，即使客戶端 C3 響應(yīng)了通知也沒法獲取鎖。這里總結(jié)一下，不同客戶端關(guān)心的鎖節(jié)點是不同的。如果客戶端創(chuàng)建的是讀鎖節(jié)點，那么客戶端只需找出比讀鎖節(jié)點序號小的最后一個的寫鎖節(jié)點，并設(shè)置 watcher 即可。而如果是寫鎖節(jié)點，則更簡單，客戶端僅需對該節(jié)點的上一個節(jié)點設(shè)置 watcher 即可。詳細的流程如下：
  1. 所有客戶端創(chuàng)建自己的鎖節(jié)點
  2. 從 Zookeeper 端獲取 /share_lock 下所有的子節(jié)點
  3. 判斷自己創(chuàng)建的鎖節(jié)點是否可以獲取鎖，如果可以，持有鎖。

    否則對自己關(guān)心的鎖節(jié)點設(shè)置 watcher

  4. 持有鎖的客戶端刪除自己的鎖節(jié)點，某個客戶端收到該節(jié)點被刪除的通知，并獲取鎖
  5. 重復(fù)步驟4，直至無客戶端在等待獲取鎖了
上述步驟對于的流程圖如下：

Zookeeper的分布式鎖的實現(xiàn)方式

圖5 獲取讀寫鎖實現(xiàn)2流程圖

感謝各位的閱讀，以上就是“Zookeeper的分布式鎖的實現(xiàn)方式”的內(nèi)容了，經(jīng)過本文的學(xué)習(xí)后，相信大家對Zookeeper的分布式鎖的實現(xiàn)方式這一問題有了更深刻的體會，具體使用情況還需要大家實踐驗證。這里是億速云，小編將為大家推送更多相關(guān)知識點的文章，歡迎關(guān)注！

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