深入理解Zookeeper系列-2.Zookeeper基本使用和分布式锁原理

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📕系列专栏：Spring源码、JUC源码、Kafka原理、分布式技术原理
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文章目录

集群环境安装
Zookeeper java客户端的使用
- Curator
- 代码
- 权限操作
- - 权限模式
节点监听
分布锁的实现
- InterProcessMutex

集群环境安装

在zookeeper集群中，各个节点总共有三种角色，分别是：leader，follower，observer

集群模式我们采用模拟3台机器来搭建zookeeper集群。分别复制安装包到三台机器上并解压，同时copy一份zoo.cfg。

修改配置文件

修改端口
server.1=IP1:2888:3888 【2888：访问zookeeper的端口；3888：重新选举leader的端口】
server.2=IP2.2888:3888
server.3=IP3.2888:2888

server.A=B：C：D：其中

A 是一个数字，表示这个是第几号服务器；
B 是这个服务器的 ip地址；
C 表示的是这个服务器与集群中的 Leader 服务器交换信息的端口；
D 表示的是万一集群中的 Leader 服务器挂了，需要一个端口来重新进行选举，选出一个新
的 Leader，而这个端口就是用来执行选举时服务器相互通信的端口。如果是伪集群的配置方
式，由于 B 都是一样，所以不同的 Zookeeper 实例通信端口号不能一样，所以要给它们分配
不同的端口号。
在集群模式下，集群中每台机器都需要感知到整个集群是由哪几台机器组成的，在配置文件
中，按照格式server.id=host:port:port，每一行代表一个机器配置。id: 指的是server ID,用
来标识该机器在集群中的机器序号

在每台zookeeper机器上，我们都需要在数据目录(dataDir)下创建一个myid文件，该文件只有一行内容，对应每台机器的Server ID数字；比如server.1的myid文件内容就是1。【必须确保每个服务器的myid文件中的数字不同，并且和自己所在机器的zoo.cfg中server.id的id值一致，id的范围是1~255】

启动zookeeper

需要注意的是，如果使用云服务器搭建的话，需要开放端口。

Zookeeper java客户端的使用

针对zookeeper，比较常用的Java客户端有zkclient、curator。由于Curator对于zookeeper的抽象层次
比较高，简化了zookeeper客户端的开发量。使得curator逐步被广泛应用。

封装zookeeper client与zookeeper server之间的连接处理
提供了一套fluent风格的操作api
提供zookeeper各种应用场景（共享锁、leader选举）的抽象封装

Curator

<dependency>
	<groupId>org.apache.curator</groupId>
	<artifactId>curator-framework</artifactId>
	<version>4.2.0</version>
</dependency>
<dependency>
	<groupId>org.apache.curator</groupId>
	<artifactId>curator-recipes</artifactId>
	<version>4.2.0</version>
</dependency>

代码

public static void main(String[] args) throws Exception {
        
        CuratorFramework curatorFramework=
                CuratorFrameworkFactory.builder().
                        connectString("192.168.216.128:2181,192.168.216.129:2181,192.168.216.130:2181").
                        sessionTimeoutMs(5000). // 会话超时，定时心跳机制
                        retryPolicy(new ExponentialBackoffRetry
                                (1000,3)).//重试
                        connectionTimeoutMs(4000).build();
        curatorFramework.start(); //表示启动.
//创建
//        create(curatorFramework);
//修改
//        update(curatorFramework);
//查看
//        get(curatorFramework);
    
    	operatorWithAsync(curatorFramework);


        create(curatorFramework);
    }

    private static String get(CuratorFramework curatorFramework) throws Exception {
        String rs=new String(curatorFramework.getData().forPath("/first_auth"));
        System.out.println(rs);
        return rs;
    }

    private static String create(CuratorFramework curatorFramework) throws Exception {

       String path=curatorFramework.create().
                creatingParentsIfNeeded().
                withMode(CreateMode.PERSISTENT).forPath("/first","Hello Gupaao".getBytes());
        System.out.println("创建成功的节点： "+path);
        return path;
    }

    private static String update(CuratorFramework curatorFramework) throws Exception {
        curatorFramework.setData().forPath("/first","Hello GuPaoEdu.cn".getBytes());
        return null;
    }

    //异步访问 | 同步（future.get()）
    //redisson
    private static String operatorWithAsync(CuratorFramework curatorFramework) throws Exception {
        // 之前说过，数据同步的时候需要投票，如果我们可以使用异步的请求
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
        curatorFramework.create().creatingParentsIfNeeded().
                withMode(CreateMode.PERSISTENT).inBackground(new BackgroundCallback() {
            @Override
            public void processResult(CuratorFramework client, CuratorEvent event) throws Exception {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+event.getResultCode());
                countDownLatch.countDown();
            }
        }).forPath("/second","second".getBytes());
        //TODO ...
        System.out.println("before");
        countDownLatch.await(); //阻塞
        System.out.println("after");
        return "";
    }


测试 进入zookeeper
ls /
get first   就可以看到这个数据了

权限操作

我们可以设置当前节点增删改查的权限。

read
write（修改）
delete
create(创建)
admin
简写： rwdca

private static String authOperation(CuratorFramework curatorFramework) throws Exception {
        List<ACL> acls=new ArrayList<>();
        ACL acl=new ACL(ZooDefs.Perms.CREATE| ZooDefs.Perms.DELETE,new Id("digest", DigestAuthenticationProvider.generateDigest("u1:u1")));
        ACL acl1=new ACL(ZooDefs.Perms.ALL,new Id("digest", DigestAuthenticationProvider.generateDigest("u2:u2")));
        acls.add(acl);
        acls.add(acl1);
        curatorFramework.create().creatingParentsIfNeeded().withMode(CreateMode.PERSISTENT).
                withACL(acls).forPath("/first_auth","123".getBytes());
        return null;
    }


List<AuthInfo> list=new ArrayList<>();
        AuthInfo authInfo=new AuthInfo("digest","u2:u2".getBytes());
        list.add(authInfo);
        CuratorFramework curatorFramework=
                CuratorFrameworkFactory.builder().
                        connectString("192.168.216.128:2181,192.168.216.129:2181,192.168.216.130:2181").
                        sessionTimeoutMs(5000).
                        retryPolicy(new ExponentialBackoffRetry
                                (1000,3)).
                        connectionTimeoutMs(4000).authorization(list).build();
        curatorFramework.start(); //表示启动.

权限模式

Ip 通过ip地址粒度来进行权限控制，例如配置 [ip:192.168.0.1], 或者按照网段 ip:192.168.0.1/24 ;
Digest：最常用的控制模式，类似于 username:password ；设置的时候需要
DigestAuthenticationProvider.generateDigest() SHA-加密和base64编码
World：最开放的控制模式，这种权限控制几乎没有任何作用，数据的访问权限对所有用户开放。 world:anyone
Super：超级用户，可以对节点做任何操作
auth 不需要id。不过这里应该用 expression 来表示。即(scheme:expression:perm)

节点监听

当前节点的创建（NodeCreated）
子节点的变更事件(NodeChildrenChanged) ->Dubbo
当前被监听的节点的数据变更事件：NodeDataChanged
当前节点被删除的时候会触发 NodeDeleted

ZooKeeper zooKeeper;
    public void originApiTest() throws IOException, KeeperException, InterruptedException {
        ZooKeeper zooKeeper=new ZooKeeper("192.168.216.128:2181", 5000, new Watcher() {
            @Override
            public void process(WatchedEvent watchedEvent) {
                //表示连接成功之后，会产生的回调时间
            }
        });
        Stat stat=new Stat();
        zooKeeper.getData("/first", new DataWatchListener(),stat); //针对当前节点

      /*  zooKeeper.exists();  //针对当前节点
        zooKeeper.getChildren();  //针对子节点的监听*/
    }


class DataWatchListener implements Watcher{
        @Override
        public void process(WatchedEvent watchedEvent) {
            // 事件回调
            String path=watchedEvent.getPath();
            // 再次注册监听
            try {
                zooKeeper.getData(path,this,new Stat());
            } catch (KeeperException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

private static void addNodeCacheListener(CuratorFramework curatorFramework,String path) throws Exception {
    	
        NodeCache nodeCache=new NodeCache(curatorFramework,path,false);
        NodeCacheListener nodeCacheListener=new NodeCacheListener() {
            @Override
            public void nodeChanged() throws Exception {
                System.out.println("Receive Node Changed");
                System.out.println(""+nodeCache.getCurrentData().getPath()+"->"+new String(nodeCache.getCurrentData().getData()));
            }
        };
        nodeCache.getListenable().addListener(nodeCacheListener);
        nodeCache.start();
    }



    private static void addPathChildCacheListener(CuratorFramework curatorFramework,String path) throws Exception {
        PathChildrenCache childrenCache=new PathChildrenCache(curatorFramework,path,true);
        PathChildrenCacheListener childrenCacheListener=new PathChildrenCacheListener() {
            @Override
            public void childEvent(CuratorFramework curatorFramework, PathChildrenCacheEvent pathChildrenCacheEvent) throws Exception {
                System.out.println("子节点事件变更的回调");
                ChildData childData=pathChildrenCacheEvent.getData();
                System.out.println(childData.getPath()+"-"+new String(childData.getData()));
            }
        };
        childrenCache.getListenable().addListener(childrenCacheListener);
        childrenCache.start(PathChildrenCache.StartMode.NORMAL);
    }


addNodeCacheListener(curatorFramework,"/first");

addPathChildCacheListener(curatorFramework,"/first");

需要在main方法中 不让其结束
System.in.read();

分布锁的实现

在这里插入图片描述

两个线程访问一个共享资源，就会造成数据的不确定性。所以需要加锁。

在这里插入图片描述

但是在分布式的场景下，线程变成进程

在这里插入图片描述

那么应该怎么做呢？如果使用Zookeeper来实现呢？

按照zookeeper的特性，只会有一个节点成功，其他的都是失败特性。如果处理完了，其他节点监听这个，当成功的那个节点删除了之后，回调通知再次获得锁即可。

在这里插入图片描述

但是会存在一个问题，比如说有100个节点，那么他就会触发99次来通知剩下的节点，为了解决这样的一个问题，一次性唤醒所有的话，我们可以使用顺序节点

在这里插入图片描述

先写入后，先排队

这样的话，我们每个节点只需要监听上一个顺序的变化即可，如果我们发现了一个节点删除了，然后去判断自己是不是序号最好的就ok，如果是最小的，那就发起获取锁的动作，如果不是就等着。

在这里插入图片描述

CuratorFramework curatorFramework=
                CuratorFrameworkFactory.builder().
                        connectString("192.168.216.128:2181,192.168.216.129:2181,192.168.216.130:2181").
                        sessionTimeoutMs(5000).
                        retryPolicy(new ExponentialBackoffRetry
                                (1000,3)).
                        connectionTimeoutMs(4000).build();
        curatorFramework.start(); //表示启动.

        /**
         * locks 表示命名空间
         * 锁的获取逻辑是放在zookeeper
         * 当前锁是跨进程可见
         */
        InterProcessMutex lock=new InterProcessMutex(curatorFramework,"/locks");
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(()->{
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"->尝试抢占锁");
                try {
                    lock.acquire();//抢占锁,没有抢到，则阻塞
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"->获取锁成功");
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                try {
                    Thread.sleep(4000);
                    lock.release(); //释放锁
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"->释放锁成功");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            },"t-"+i).start();
        }

    }

InterProcessMutex

private final ConcurrentMap<Thread, InterProcessMutex.LockData> threadData;

// 首先看 acquire 方法
public void acquire() throws Exception {
        if (!this.internalLock(-1L, (TimeUnit)null)) {
            throw new IOException("Lost connection while trying to acquire lock: " + this.basePath);
        }
    }
    
    
private boolean internalLock(long time, TimeUnit unit) throws Exception {
    // 获得当前线程
        Thread currentThread = Thread.currentThread();
        InterProcessMutex.LockData lockData = (InterProcessMutex.LockData)this.threadData.get(currentThread);
        if (lockData != null) {
            // 首先判断在同一个线程是否有重入的情况
            // 如果有重入，则 +1
            lockData.lockCount.incrementAndGet();
            return true;
        } else {
            // 如果没有重入
            String lockPath = this.internals.attemptLock(time, unit, this.getLockNodeBytes());
            if (lockPath != null) {
                // 说明注册成功
                InterProcessMutex.LockData newLockData = new InterProcessMutex.LockData(currentThread, lockPath);
                // 存进map中
                this.threadData.put(currentThread, newLockData);
                return true;
            } else {
                return false;
            }
        }
    }

进入 attemptLock

String attemptLock(long time, TimeUnit unit, byte[] lockNodeBytes) throws Exception {
        long startMillis = System.currentTimeMillis();
        Long millisToWait = unit != null ? unit.toMillis(time) : null;
        byte[] localLockNodeBytes = this.revocable.get() != null ? new byte[0] : lockNodeBytes;
        int retryCount = 0;
        String ourPath = null;
        boolean hasTheLock = false;
        boolean isDone = false;

		// 这里面是一个死循环
        while(!isDone) {
            isDone = true;

            try {
            // try里面的逻辑，会在循环中会去创建一个锁
                ourPath = this.driver.createsTheLock(this.client, this.path, localLockNodeBytes);
                hasTheLock = this.internalLockLoop(startMillis, millisToWait, ourPath);
            } catch (NoNodeException var14) {
            // catch里面的逻辑实际上是重试逻辑
                if (!this.client.getZookeeperClient().getRetryPolicy().allowRetry(retryCount++, System.currentTimeMillis() - startMillis, RetryLoop.getDefaultRetrySleeper())) {
                    throw var14;
                }

                isDone = false;
            }
        }

        return hasTheLock ? ourPath : null;
    }
    
进入createsTheLock

public String createsTheLock(CuratorFramework client, String path, byte[] lockNodeBytes) throws Exception {
		// 本质上就是创建一个临时有序节点
        String ourPath;
        if (lockNodeBytes != null) {
            ourPath = (String)((ACLBackgroundPathAndBytesable)client.create().creatingParentContainersIfNeeded().withProtection().withMode(CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL)).forPath(path, lockNodeBytes);
        } else {
            ourPath = (String)((ACLBackgroundPathAndBytesable)client.create().creatingParentContainersIfNeeded().withProtection().withMode(CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL)).forPath(path);
        }

        return ourPath;
    }
    

// try里面的逻辑，会在循环中会去创建一个锁
                ourPath = this.driver.createsTheLock(this.client, this.path, localLockNodeBytes);
// 此时去判断拿没拿到锁,拿到了以后去判断是不是最小的
                hasTheLock = this.internalLockLoop(startMillis, millisToWait, ourPath);

internalLockLoop

private boolean internalLockLoop(long startMillis, Long millisToWait, String ourPath) throws Exception {
        boolean haveTheLock = false;
        boolean doDelete = false;

        try {
            if (this.revocable.get() != null) {
                ((BackgroundPathable)this.client.getData().usingWatcher(this.revocableWatcher)).forPath(ourPath);
            }

            while(this.client.getState() == CuratorFrameworkState.STARTED && !haveTheLock) { // while循环判断客户端的连接没有断开，并且没有获得锁的情况下
            
            // 拿到排序之后的节点
                List<String> children = this.getSortedChildren();
                String sequenceNodeName = ourPath.substring(this.basePath.length() + 1);
                
                // 去执行一个判断锁的逻辑
                PredicateResults predicateResults = this.driver.getsTheLock(this.client, children, sequenceNodeName, this.maxLeases);
                
                // 是否获得锁
                if (predicateResults.getsTheLock()) {
                    haveTheLock = true;
                } else {
                // 否则进入监听的逻辑
                    String previousSequencePath = this.basePath + "/" + predicateResults.getPathToWatch();
                    synchronized(this) {
                        try {
                            ((BackgroundPathable)this.client.getData().usingWatcher(this.watcher)).forPath(previousSequencePath);
                            if (millisToWait == null) {
                            // 在监听中告诉其等待
                                this.wait(); 
                            } else {
                                millisToWait = millisToWait - (System.currentTimeMillis() - startMillis);
                                startMillis = System.currentTimeMillis();
                                if (millisToWait > 0L) {
                                    this.wait(millisToWait);
                                } else {
                                    doDelete = true;
                                    break;
                                }
                            }
                        } catch (NoNodeException var19) {
                        }
                    }
                }
            }
        } catch (Exception var21) {
            ThreadUtils.checkInterrupted(var21);
            doDelete = true;
            throw var21;
        } finally {
            if (doDelete) {
                this.deleteOurPath(ourPath);
            }

        }

        return haveTheLock;
    }
    

进入getsTheLock


public PredicateResults getsTheLock(CuratorFramework client, List<String> children, String sequenceNodeName, int maxLeases) throws Exception {
		// 得到索引，验证合法性
        int ourIndex = children.indexOf(sequenceNodeName);
        validateOurIndex(sequenceNodeName, ourIndex);
        
        // 判断是不是最小的，如果不是就取 -1之后的数
        boolean getsTheLock = ourIndex < maxLeases;
        String pathToWatch = getsTheLock ? null : (String)children.get(ourIndex - maxLeases);
        return new PredicateResults(pathToWatch, getsTheLock);
        
        
        // 首先，通过children.indexOf(sequenceNodeName)方法获取当前客户端创建的节点在子节点列表中的索引位置，并验证其合法性。然后，判断当前节点是否是最小的（即序号最小）。如果是最小的，则直接获取锁；否则，通过计算得到当前节点前面的一个节点名称，并将其设置为需要监听的节点路径，等待该节点释放锁后再尝试获取锁。
    }
    

-----------------------------------------------释放
// 当收到这个节点发生变化以后
private final Watcher watcher = new Watcher() {
        public void process(WatchedEvent event) {
            LockInternals.this.client.postSafeNotify(LockInternals.this);
        }
    };
// 去唤醒当前的进程下处于阻塞的线程
default CompletableFuture<Void> postSafeNotify(Object monitorHolder) {
        return this.runSafe(() -> {
            synchronized(monitorHolder) {
                monitorHolder.notifyAll();
            }
        });
    }