基于Zookeeper的分布式锁

Zookeeper 是 Apache 的一个顶级项目,为分布式应用提供高效、高可用的分布式协调服务,提供了诸如数据发布/订阅、负载均衡、命名服务、分布式协调/通知和分布式锁等分布式基础服务。
由于 ZooKeeper 便捷的使用方式、卓越的性能和良好的稳定性,被广泛地应用于诸如 Hadoop、HBase、Kafka 和 Dubbo 等大型分布式系统中。

搭建Zookeeper集群

这里我们用Docker在本机上快速搭建一个zk集群,根据官方的zookeeper镜像给的docker-compose文件,我们稍加修改就可以了:

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version: '2'

services:
zoo1:
image: zookeeper:3.4
restart: always
hostname: zoo1
ports:
- 2181:2181
environment:
ZOO_MY_ID: 1
ZOO_SERVERS: server.1=0.0.0.0:2888:3888 server.2=zoo2:2888:3888 server.3=zoo3:2888:3888
volumes:
- ./zoo1/data:/data
- ./zoo1/datalog:/datalog

zoo2:
image: zookeeper:3.4
restart: always
hostname: zoo2
ports:
- 2182:2181
environment:
ZOO_MY_ID: 2
ZOO_SERVERS: server.1=zoo1:2888:3888 server.2=0.0.0.0:2888:3888 server.3=zoo3:2888:3888
volumes:
- ./zoo2/data:/data
- ./zoo2/datalog:/datalog

zoo3:
image: zookeeper:3.4
restart: always
hostname: zoo3
ports:
- 2183:2181
environment:
ZOO_MY_ID: 3
ZOO_SERVERS: server.1=zoo1:2888:3888 server.2=zoo2:2888:3888 server.3=0.0.0.0:2888:3888
volumes:
- ./zoo3/data:/data
- ./zoo3/datalog:/datalog

docker-compose up 启动集群,然后查看服务状态:

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$ docker-compose ps
Name Command State Ports
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
zookeeper-cluster_zoo1_1 /docker-entrypoint.sh zkSe ... Up 0.0.0.0:2181->2181/tcp, 2888/tcp, 3888/tcp, 8080/tcp
zookeeper-cluster_zoo2_1 /docker-entrypoint.sh zkSe ... Up 0.0.0.0:2182->2181/tcp, 2888/tcp, 3888/tcp, 8080/tcp
zookeeper-cluster_zoo3_1 /docker-entrypoint.sh zkSe ... Up 0.0.0.0:2183->2181/tcp, 2888/tcp, 3888/tcp, 8080/tcp

$ docker-compose exec zoo1 ./bin/zkServer.sh status
ZooKeeper JMX enabled by default
Using config: /conf/zoo.cfg
Mode: follower

$ docker-compose exec zoo2 ./bin/zkServer.sh status
ZooKeeper JMX enabled by default
Using config: /conf/zoo.cfg
Mode: follower

$ docker-compose exec zoo3 ./bin/zkServer.sh status
ZooKeeper JMX enabled by default
Using config: /conf/zoo.cfg
Mode: leader

可以看到zoo3这个节点是leader节点(zookeeper3.5的镜像似乎有点问题,集群起来后有个节点一直出错,所以我用了3.4)。

zookeeper配置文件

zoo.cfg配置文件常见配置

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tickTime=2000
initLimit=10
syncLimit=5
dataLogDir=/opt/zookeeper/logs
dataDir=/opt/zookeeper/data
clientPort=2181
autopurge.snapRetainCount=500
autopurge.purgeInterval=24
server.1= 192.168.1.148:2888:3888
server.2= 192.168.1.149:2888:3888
server.3= 192.168.1.150:2888:3888

zoo.cfg配置文件参数详细说明

参数名 说明
clientPort 客户端连接server的端口,即对外服务端口,一般设置为2181吧。
dataDir 存储快照文件snapshot的目录。默认情况下,事务日志也会存储在这里。建议同时配置参数dataLogDir, 事务日志的写性能直接影响zk性能。
tickTime ZK中的一个时间单元。ZK中所有时间都是以这个时间单元为基础,进行整数倍配置的。例如,session的最小超时时间是2*tickTime。
dataLogDir 事务日志输出目录。尽量给事务日志的输出配置单独的磁盘或是挂载点,这将极大的提升ZK性能。 (No Java system property)
globalOutstandingLimit 最大请求堆积数。默认是1000。ZK运行的时候, 尽管server已经没有空闲来处理更多的客户端请求了,但是还是允许客户端将请求提交到服务器上来,以提高吞吐性能。当然,为了防止Server内存溢出,这个请求堆积数还是需要限制下的。 (Java system property:zookeeper.globalOutstandingLimit. )
preAllocSize 预先开辟磁盘空间,用于后续写入事务日志。默认是64M,每个事务日志大小就是64M。如果ZK的快照频率较大的话,建议适当减小这个参数。(Java system property:zookeeper.preAllocSize )
snapCount 每进行snapCount次事务日志输出后,触发一次快照(snapshot), 此时,ZK会生成一个snapshot.文件,同时创建一个新的事务日志文件log.。默认是100000.(真正的代码实现中,会进行一定的随机数处理,以避免所有服务器在同一时间进行快照而影响性能)(Java system property:zookeeper.snapCount )
traceFile 用于记录所有请求的log,一般调试过程中可以使用,但是生产环境不建议使用,会严重影响性能。(Java system property:? requestTraceFile )
maxClientCnxns 单个客户端与单台服务器之间的连接数的限制,是ip级别的,默认是60,如果设置为0,那么表明不作任何限制。请注意这个限制的使用范围,仅仅是单台客户端机器与单台ZK服务器之间的连接数限制,不是针对指定客户端IP,也不是ZK集群的连接数限制,也不是单台ZK对所有客户端的连接数限制。指定客户端IP的限制策略,这里有一个patch,可以尝试一下:http://rdc\.taobao\.com/team/jm/archives/1334(No Java system property)
clientPortAddress 对于多网卡的机器,可以为每个IP指定不同的监听端口。默认情况是所有IP都监听 clientPort 指定的端口。 New in 3.3.0
minSessionTimeoutmaxSessionTimeoutSession 超时时间限制,如果客户端设置的超时时间不在这个范围,那么会被强制设置为最大或最小时间。默认的Session超时时间是在2 * tickTime ~ 20 * tickTime 这个范围 New in 3.3.0
fsync.warningthresholdms 事务日志输出时,如果调用fsync方法超过指定的超时时间,那么会在日志中输出警告信息。默认是1000ms。(Java system property: fsync.warningthresholdms )New in 3.3.4
autopurge.purgeInterval 在上文中已经提到,3.4.0及之后版本,ZK提供了自动清理事务日志和快照文件的功能,这个参数指定了清理频率,单位是小时,需要配置一个1或更大的整数,默认是0,表示不开启自动清理功能。(No Java system property) New in 3.4.0
autopurge.snapRetainCount 这个参数和上面的参数搭配使用,这个参数指定了需要保留的文件数目。默认是保留3个。(No Java system property) New in 3.4.0
electionAlg 在之前的版本中, 这个参数配置是允许我们选择leader选举算法,但是由于在以后的版本中,只会留下一种“TCP-based version of fast leader election”算法,所以这个参数目前看来没有用了,这里也不详细展开说了。(No Java system property)
initLimitFollowe r在启动过程中,会从Leader同步所有最新数据,然后确定自己能够对外服务的起始状态。Leader允许F在 initLimit 时间内完成这个工作。通常情况下,我们不用太在意这个参数的设置。如果ZK集群的数据量确实很大了,F在启动的时候,从Leader上同步数据的时间也会相应变长,因此在这种情况下,有必要适当调大这个参数了。(No Java system property)
syncLimit 在运行过程中,Leader负责与ZK集群中所有机器进行通信,例如通过一些心跳检测机制,来检测机器的存活状态。如果L发出心跳包在syncLimit之后,还没有从F那里收到响应,那么就认为这个F已经不在线了。注意:不要把这个参数设置得过大,否则可能会掩盖一些问题。(No Java system property)
leaderServes 默认情况下,Leader是会接受客户端连接,并提供正常的读写服务。但是,如果你想让Leader专注于集群中机器的协调,那么可以将这个参数设置为no,这样一来,会大大提高写操作的性能。(Java system property: zookeeper. leaderServes )。
server.x=[hostname]:nnnnn[:nnnnn] 这里的x是一个数字,与myid文件中的id是一致的。右边可以配置两个端口,第一个端口用于F和L之间的数据同步和其它通信,第二个端口用于Leader选举过程中投票通信。 (No Java system property)
group.x=nnnnn[:nnnnn]weight.x=nnnnn 对机器分组和权重设置,可以 参见这里(No Java system property)
cnxTimeoutLeader 选举过程中,打开一次连接的超时时间,默认是5s。(Java system property: zookeeper. cnxTimeout)
zookeeper.DigestAuthenticationProvider.superDigestZK 权限设置相关,具体参见 《 使用super 身份对有权限的节点进行操作 》 和 《 ZooKeeper 权限控制 》
skipACL 对所有客户端请求都不作ACL检查。如果之前节点上设置有权限限制,一旦服务器上打开这个开头,那么也将失效。(Java system property: zookeeper.skipACL )
forceSync 这个参数确定了是否需要在事务日志提交的时候调用 FileChannel .force来保证数据完全同步到磁盘。(Java system property: zookeeper.forceSync )
jute.maxbuffer 每个节点最大数据量,是默认是1M。这个限制必须在server和client端都进行设置才会生效。(Java system property: jute.maxbuffer )

上面的docker-compose.yml文件中,我没用配置文件,但是上面的配置项其实可以用zookeeper镜像里的环境变量来实现,例如ZOO_TICK_TIME

Zookeeper分布式锁实现

Zookeeper的节点

要用Zookeeper实现分布式锁,我就不得不说说Zookeeper的数据存储。首先zookeeper的核心保存结构是一个DataTree数据结构,其实内部是一个Map<String, DataNode> nodes的数据结构,其中key是path,DataNode才是真正保存数据的核心数据结构,DataNode核心字段包括byte data[]用于保存节点内容。

节点是Zookeeper(zk)中数据存储的基础结构,zk中万物皆节点,就好比Java中万物皆对象一样。zk的数据模型就是基于节点的树形结构,但zk规定每个节点的引用规则是路径引用。每个节点中包含子节点引用、存储数据、访问权限以及节点元数据等四部分。

upload successful

zookeeper中提供了节点类型主要有:

  • 持久节点:节点创建后,就一直存在,直到有删除操作来主动清除。
  • 顺序节点:假如当前有一个父节点为/lock,我们可以在这个父节点下面创建子节点;zk提供了一个可选的有序特性,例如我们可以创建子节点“/lock/test_”并且指明有序,那么zk在生成子节点时会根据当前子节点数量自动添加整数序号,如果第一个子节点为/lock/test_0000000000,下一个节点则为/lock/test_0000000001,依次类推。
  • 临时节点:客户端可以建立一个临时节点,在会话结束或者会话超时后,zookeeper会自动删除该节点。
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