Zookeeper系列——6Zookeeper的分布式锁及Leader选举原理分析

学习目标

1. Zookeeper分布式锁原理分析

2. Zookeeper用作Leader选举的原理分析

第1章 分布式锁简介

1.1 理解分布式锁

我们先来看一个问题，如下图所示，两个用户同时去抢购秒杀商品，当秒杀服务同时收到秒杀请求时，都去进行库存扣减，此时在没有做任何处理的情况下，就会导致库存数量变成负数从而导致超卖现象。

这种情况下我们一般会选择加锁的方式来避免并发的问题。但是在分布式场景中，采用传统的锁并不能解决跨进程并发的问题，所以需要引入一个分布式锁，来解决多个节点之间的访问控制。

1.2 如何解决分布式锁

我们可以基于Zookeeper的两种特性来实现分布式锁：

1、使用唯一节点特性实现分布式锁

就是基于唯一节点特性，如下图所示。多个应用程序去抢占锁资源时，只需要在指定节点上创建一个 /Lock 节点，由于Zookeeper中节点的唯一性特性，使得只会有一个用户成功创建 /Lock 节点，剩下没有创建成功的用户表示竞争锁失败。

 这种方法能达到目的，但是会有一个问题，如下图所示，假设有非常多的节点需要等待获得锁，那么等待的方式自然是使用Watcher机制来监听/lock节点的删除事件，一旦发现该节点被删除说明之前获得锁的节点已经释放了锁，此时剩下的B、C、D。节点同时会收到删除事件从而去竞争锁，这个过程会产生惊群效应。

 

“惊群效应”，简单来说就是如果存在许多的客户端在等待获取锁，当成功获取到锁的进程释放该节点后，所有处于等待状态的客户端都会被唤醒，这个时候zookeeper在短时间内发送大量子节点变更事件给所有待获取锁的客户端，然后实际情况是只会有一个客户端获得锁。如果在集群规模比较大的情况下，会对zookeeper服务器的性能产生比较大的影响。

2、使用有序节点实现分布式锁

因此为了解决这个问题，我们可以采用Zookeeper的有序节点特性来实现分布式锁。

如下图所示，每个客户端都往指定的节点下注册一个临时有序节点，越早创建的节点，节点的顺序编号就越小，那么我们可以判断子节点中最小的节点设置为获得锁。如果自己的节点不是所有子节点中最小的，意味着还没有获得锁。这个的实现和前面单节点实现的差异性在于，每个节点只需要监听比自己小的节点，当比自己小的节点删除以后，客户端会收到watcher事件，此时再次判断自己的节点是不是所有子节点中最小的，如果是则获得锁，否则就不断重复这个过程，这样就不会导致羊群效应，因为每个客户端只需要监控一个节点。

 如下图所示，表示有序节点实现分布式锁的流程。

 

第2章 分布式锁实现

在本文中我们使用Curator来实现分布式锁。为了实现分布式锁，我们先演示一个存在并发异常的场景。

2.1 场景模拟

项目见zk-demo中的scene包下面

1、sql脚本

DROP TABLE IF EXISTS `goods_stock`;
CREATE TABLE `goods_stock` (
  `id` int unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `goods_no` int NOT NULL COMMENT '商品编号',
  `stock` int DEFAULT NULL COMMENT '库存',
  `isActive` smallint DEFAULT NULL COMMENT '是否上架（1上，0不是）',
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=3 DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_bin;

2、采用mybatis-plus搭建项目，项目结构如图所示

 3、POM文件

"1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 https://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <modelVersion>4.0.0modelVersion>
    <groupId>com.examplegroupId>
    <artifactId>zk-demoartifactId>
    <version>0.0.1-SNAPSHOTversion>
    <name>zk-demoname>
    <description>zookeeper应用description>
 
    <properties>
        <java.version>1.8java.version>
        <project.build.sourceEncoding>UTF-8project.build.sourceEncoding>
        <project.reporting.outputEncoding>UTF-8project.reporting.outputEncoding>
        <spring-boot.version>2.3.2.RELEASEspring-boot.version>
    properties>
 
    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.bootgroupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-webartifactId>
        dependency>
 
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.bootgroupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-testartifactId>
        dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.apache.zookeepergroupId>
            <artifactId>zookeeperartifactId>
            <version>3.4.13version>
        dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.apache.curatorgroupId>
            <artifactId>curator-frameworkartifactId>
            <version>4.0.1version>
            <exclusions>
                <exclusion>
                    <groupId>org.apache.zookeepergroupId>
                    <artifactId>zookeeperartifactId>
                exclusion>
            exclusions>
        dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.apache.curatorgroupId>
            <artifactId>curator-recipesartifactId>
            <version>4.0.1version>
            <exclusions>
                <exclusion>
                    <groupId>org.apache.zookeepergroupId>
                    <artifactId>zookeeperartifactId>
                exclusion>
            exclusions>
        dependency>
 
        <dependency>
            <groupId>mysqlgroupId>
            <artifactId>mysql-connector-javaartifactId>
            <scope>runtimescope>
        dependency>
        <dependency>
            <groupId>com.baomidougroupId>
            <artifactId>mybatis-plus-boot-starterartifactId>
            <version>3.4.2version>
        dependency>
        <dependency>
            <groupId>com.baomidougroupId>
            <artifactId>mybatis-plus-generatorartifactId>
            <version>3.4.0version>
        dependency>
        <dependency>
            <groupId>com.alibabagroupId>
            <artifactId>druid-spring-boot-starterartifactId>
            <version>1.2.9version>
        dependency>
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            <groupId>org.apache.commonsgroupId>
            <artifactId>commons-lang3artifactId>
        dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.projectlombokgroupId>
            <artifactId>lombokartifactId>
        dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.apache.commonsgroupId>
            <artifactId>commons-pool2artifactId>
        dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.freemarkergroupId>
            <artifactId>freemarkerartifactId>
        dependency>
    dependencies>
 
    <dependencyManagement>
        <dependencies>
            <dependency>
                <groupId>org.springframework.bootgroupId>
                <artifactId>spring-boot-dependenciesartifactId>
                <version>${spring-boot.v