Zookeeper -- 分布式锁InterProcessMutex

Curator是ZooKeeper的一个客户端框架，其中封装了分布式互斥锁的实现，最为常用的是InterProcessMutex，本文将对其进行代码剖析

简介

InterProcessMutex基于Zookeeper实现了_**分布式的公平可重入互斥锁**_，类似于单个JVM进程内的ReentrantLock(fair=true)

构造函数

// 最常用
public InterProcessMutex(CuratorFramework client, String path){
    // Zookeeper利用path创建临时顺序节点，实现公平锁的核心
    this(client, path, new StandardLockInternalsDriver());
}

public InterProcessMutex(CuratorFramework client, String path, LockInternalsDriver driver){
    // maxLeases=1，表示可以获得分布式锁的线程数量（跨JVM）为1，即为互斥锁
    this(client, path, LOCK_NAME, 1, driver);
}

// protected构造函数
InterProcessMutex(CuratorFramework client, String path, String lockName, int maxLeases, LockInternalsDriver driver){
    basePath = PathUtils.validatePath(path);
    // internals的类型为LockInternals，InterProcessMutex将分布式锁的申请和释放操作委托给internals执行
    internals = new LockInternals(client, driver, path, lockName, maxLeases);
}

获取锁

InterProcessMutex.acquire

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

// 限时等待
public boolean acquire(long time, TimeUnit unit) throws Exception{
    return internalLock(time, unit);
}

InterProcessMutex.internalLock

private boolean internalLock(long time, TimeUnit unit) throws Exception{
    Thread currentThread = Thread.currentThread();
    LockData lockData = threadData.get(currentThread);
    if ( lockData != null ){
        // 实现可重入
        // 同一线程再次acquire，首先判断当前的映射表内（threadData）是否有该线程的锁信息，如果有则原子+1，然后返回
        lockData.lockCount.incrementAndGet();
        return true;
    }

    // 映射表内没有对应的锁信息，尝试通过LockInternals获取锁
    String lockPath = internals.attemptLock(time, unit, getLockNodeBytes());
    if ( lockPath != null ){
        // 成功获取锁，记录信息到映射表
        LockData newLockData = new LockData(currentThread, lockPath);
        threadData.put(currentThread, newLockData);
        return true;
    }
    return false;
}

// 映射表
// 记录线程与锁信息的映射关系
private final ConcurrentMap<Thread, LockData> threadData = Maps.newConcurrentMap();

// 锁信息
// Zookeeper中一个临时顺序节点对应一个“锁”，但让锁生效激活需要排队（公平锁），下面会继续分析
private static class LockData{
    final Thread owningThread;
    final String lockPath;
    final AtomicInteger lockCount = new AtomicInteger(1); // 分布式锁重入次数

    private LockData(Thread owningThread, String lockPath){
        this.owningThread = owningThread;
        this.lockPath = lockPath;
    }
}

LockInternals.attemptLock

// 尝试获取锁，并返回锁对应的Zookeeper临时顺序节点的路径
String attemptLock(long time, TimeUnit unit, byte[] lockNodeBytes) throws Exception{
    final long startMillis = System.currentTimeMillis();
    // 无限等待时，millisToWait为null
    final Long millisToWait = (unit != null) ? unit.toMillis(time) : null;
    // 创建ZNode节点时的数据内容，无关紧要，这里为null，采用默认值（IP地址）
    final byte[] localLockNodeBytes = (revocable.get() != null) ? new byte[0] : lockNodeBytes;
    // 当前已经重试次数，与CuratorFramework的重试策略有关
    int retryCount = 0;

    // 在Zookeeper中创建的临时顺序节点的路径，相当于一把待激活的分布式锁
    // 激活条件：同级目录子节点，名称排序最小（排队，公平锁），后续继续分析
    String ourPath = null;
    // 是否已经持有分布式锁
    boolean hasTheLock = false;
    // 是否已经完成尝试获取分布式锁的操作
    boolean isDone = false;

    while ( !isDone ){
        isDone = true;
        try{
            // 从InterProcessMutex的构造函数可知实际driver为StandardLockInternalsDriver的实例
            // 在Zookeeper中创建临时顺序节点
            ourPath = driver.createsTheLock(client, path, localLockNodeBytes);
            // 循环等待来激活分布式锁，实现锁的公平性，后续继续分析
            hasTheLock = internalLockLoop(startMillis, millisToWait, ourPath);
        } catch ( KeeperException.NoNodeException e ) {
            // 容错处理，不影响主逻辑的理解，可跳过
            // 因为会话过期等原因，StandardLockInternalsDriver因为无法找到创建的临时顺序节点而抛出NoNodeException异常
            if ( client.getZookeeperClient().getRetryPolicy().allowRetry(retryCount++,
                    System.currentTimeMillis() - startMillis, RetryLoop.getDefaultRetrySleeper()) ){
                // 满足重试策略尝试重新获取锁
                isDone = false;
            } else {
                // 不满足重试策略则继续抛出NoNodeException
                throw e;
            }
        }
    }
    if ( hasTheLock ){
        // 成功获得分布式锁，返回临时顺序节点的路径，上层将其封装成锁信息记录在映射表，方便锁重入
        return ourPath;
    }
    // 获取分布式锁失败，返回null
    return null;
}

// From StandardLockInternalsDriver
// 在Zookeeper中创建临时顺序节点
public String createsTheLock(CuratorFramework client, String path, byte[] lockNodeBytes) throws Exception{
    String ourPath;
    // lockNodeBytes不为null则作为数据节点内容，否则采用默认内容（IP地址）
    if ( lockNodeBytes != null ){
        // 下面对CuratorFramework的一些细节做解释，不影响对分布式锁主逻辑的解释，可跳过
        // creatingParentContainersIfNeeded：用于创建父节点，如果不支持CreateMode.CONTAINER
        // 那么将采用CreateMode.PERSISTENT
        // withProtection：临时子节点会添加GUID前缀
        ourPath = client.create().creatingParentContainersIfNeeded()
            // CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL：临时顺序节点，Zookeeper能保证在节点产生的顺序性
            // 依据顺序来激活分布式锁，从而也实现了分布式锁的公平性，后续继续分析
            .withProtection().withMode(CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL).forPath(path, lockNodeBytes);
    } else {
        ourPath = client.create().creatingParentContainersIfNeeded()
            .withProtection().withMode(CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL).forPath(path);
    }
    return ourPath;
}

LockInternals.internalLockLoop

// 循环等待来激活分布式锁，实现锁的公平性
private boolean internalLockLoop(long startMillis, Long millisToWait, String ourPath) throws Exception {
    // 是否已经持有分布式锁
    boolean haveTheLock = false;
    // 是否需要删除子节点
    boolean doDelete = false;
    try {
        if (revocable.get() != null) {
            client.getData().usingWatcher(revocableWatcher).forPath(ourPath);
        }

        while ((client.getState() == CuratorFrameworkState.STARTED) && !haveTheLock) {
            // 获取排序后的子节点列表
            List<String> children = getSortedChildren();
            // 获取前面自己创建的临时顺序子节点的名称
            String sequenceNodeName = ourPath.substring(basePath.length() + 1);
            // 实现锁的公平性的核心逻辑，看下面的分析
            PredicateResults predicateResults = driver.getsTheLock(client,
                                                        children , sequenceNodeName , maxLeases);
            if (predicateResults.getsTheLock()) {
                // 获得了锁，中断循环，继续返回上层
                haveTheLock = true;
            } else {
                // 没有获得到锁，监听上一临时顺序节点
                String previousSequencePath = basePath + "/" + predicateResults.getPathToWatch();
                synchronized (this) {
                    try {
                        // exists()会导致导致资源泄漏，因此exists()可以监听不存在的ZNode，因此采用getData()
                        // 上一临时顺序节点如果被删除，会唤醒当前线程继续竞争锁，正常情况下能直接获得锁，因为锁是公平的
                        client.getData().usingWatcher(watcher).forPath(previousSequencePath);
                        if (millisToWait != null) {
                            millisToWait -= (System.currentTimeMillis() - startMillis);
                            startMillis = System.currentTimeMillis();
                            if (millisToWait <= 0) {
                                doDelete = true; // 获取锁超时，标记删除之前创建的临时顺序节点
                                break;
                            }
                            wait(millisToWait); // 等待被唤醒，限时等待
                        } else {
                            wait(); // 等待被唤醒，无限等待
                        }
                    } catch (KeeperException.NoNodeException e) {
                    // 容错处理，逻辑稍微有点绕，可跳过，不影响主逻辑的理解
                    // client.getData()可能调用时抛出NoNodeException，原因可能是锁被释放或会话过期（连接丢失）等
                    // 这里并没有做任何处理，因为外层是while循环，再次执行driver.getsTheLock时会调用validateOurIndex
                    // 此时会抛出NoNodeException，从而进入下面的catch和finally逻辑，重新抛出上层尝试重试获取锁并删除临时顺序节点
                    }
                }
            }
        }
    } catch (Exception e) {
        ThreadUtils.checkInterrupted(e);
        // 标记删除，在finally删除之前创建的临时顺序节点（后台不断尝试）
        doDelete = true;
        // 重新抛出，尝试重新获取锁
        throw e;
    } finally {
        if (doDelete) {
            deleteOurPath(ourPath);
        }
    }
    return haveTheLock;
}

// From StandardLockInternalsDriver
public PredicateResults getsTheLock(CuratorFramework client, List<String> children, String sequenceNodeName, int maxLeases) throws Exception{
    // 之前创建的临时顺序节点在排序后的子节点列表中的索引
    int ourIndex = children.indexOf(sequenceNodeName);
    // 校验之前创建的临时顺序节点是否有效
    validateOurIndex(sequenceNodeName, ourIndex);
    // 锁公平性的核心逻辑
    // 由InterProcessMutex的构造函数可知，maxLeases为1，即只有ourIndex为0时，线程才能持有锁，或者说该线程创建的临时顺序节点激活了锁
    // Zookeeper的临时顺序节点特性能保证跨多个JVM的线程并发创建节点时的顺序性，越早创建临时顺序节点成功的线程会更早地激活锁或获得锁
    boolean getsTheLock = ourIndex < maxLeases;
    // 如果已经获得了锁，则无需监听任何节点，否则需要监听上一顺序节点（ourIndex-1）
    // 因为锁是公平的，因此无需监听除了（ourIndex-1）以外的所有节点，这是为了减少羊群效应，非常巧妙的设计！！
    String pathToWatch = getsTheLock ? null : children.get(ourIndex - maxLeases);
    // 返回获取锁的结果，交由上层继续处理（添加监听等操作）
    return new PredicateResults(pathToWatch, getsTheLock);
}

static void validateOurIndex(String sequenceNodeName, int ourIndex) throws KeeperException{
    if ( ourIndex < 0 ){
        // 容错处理，可跳过
        // 由于会话过期或连接丢失等原因，该线程创建的临时顺序节点被Zookeeper服务端删除，往外抛出NoNodeException
        // 如果在重试策略允许范围内，则进行重新尝试获取锁，这会重新重新生成临时顺序节点
        // 佩服Curator的作者将边界条件考虑得如此周到！
        throw new KeeperException.NoNodeException("Sequential path not found: " + sequenceNodeName);
    }
}

// From LockInternals
private final Watcher watcher = new Watcher(){
    @Override
    public void process(WatchedEvent event){
        notifyFromWatcher();
    }
};
private synchronized void notifyFromWatcher(){
   notifyAll(); // 唤醒所有等待LockInternals实例的线程
}

// From LockInternals
private void deleteOurPath(String ourPath) throws Exception{
    try{
        // 后台不断尝试删除
        client.delete().guaranteed().forPath(ourPath);
    } catch ( KeeperException.NoNodeException e ) {
        // 已经删除(可能会话过期导致)，不做处理
        // 实际使用Curator-2.12.0时，并不会抛出该异常
    }
}

释放锁

弄明白了获取锁的原理，释放锁的逻辑就很清晰了

InterProcessMutex.release

public void release() throws Exception{
    Thread currentThread = Thread.currentThread();
    LockData lockData = threadData.get(currentThread);
    if ( lockData == null ){
        // 无法从映射表中获取锁信息，不持有锁
        throw new IllegalMonitorStateException("You do not own the lock: " + basePath);
    }

    int newLockCount = lockData.lockCount.decrementAndGet();
    if ( newLockCount > 0 ){
        // 锁是可重入的，初始值为1，原子-1到0，锁才释放
        return;
    }
    if ( newLockCount < 0 ){
        // 理论上无法执行该路径
        throw new IllegalMonitorStateException("Lock count has gone negative for lock: " + basePath);
    }
    try{
        // lockData != null && newLockCount == 0，释放锁资源
        internals.releaseLock(lockData.lockPath);
    } finally {
        // 最后从映射表中移除当前线程的锁信息
        threadData.remove(currentThread);
    }
}

LockInternals.releaseLock

void releaseLock(String lockPath) throws Exception{
   revocable.set(null);
   // 删除临时顺序节点，只会触发后一顺序节点去获取锁，理论上不存在竞争，只排队，非抢占，公平锁，先到先得
   deleteOurPath(lockPath);
}

// Class:LockInternals
private void deleteOurPath(String ourPath) throws Exception{
    try{
        // 后台不断尝试删除
        client.delete().guaranteed().forPath(ourPath);
    } catch ( KeeperException.NoNodeException e ) {
        // 已经删除(可能会话过期导致)，不做处理
        // 实际使用Curator-2.12.0时，并不会抛出该异常
    }
}

总结

InterProcessMutex的特性

1. 分布式锁（基于Zookeeper）
2. 互斥锁
3. 公平锁（监听上一临时顺序节点 + wait() / notifyAll()）
4. 可重入