Zookeeper

Zookeeper是一个分布式协调服务，用于管理和协调分布式应用程序的组件。它提供了集中式的服务，用于维护配置信息、命名、分布式同步和组服务。Zookeeper可以帮助开发人员简化分布式应用的设计和实现。

Zookeeper的核心概念

1. 节点（ZNode）：

   • Zookeeper的数据模型类似于文件系统，由一棵层次化的节点树组成。
   • 每个节点称为ZNode，可以存储数据和子节点。
   • ZNode有两种类型：临时节点（Ephemeral）和持久节点（Persistent）。
     • 临时节点：会话结束时自动删除。
     • 持久节点：需要明确删除操作才能删除。

2. 会话（Session）：

   • 客户端与Zookeeper服务器之间的连接称为会话。
   • 会话是有超时时间的，客户端需要定期发送心跳来维持会话。

3. 版本（Version）：

   • 每个ZNode都有版本信息，包括数据版本（dataVersion）、子节点版本（cversion）和ACL版本（aversion）。
   • 版本信息在更新时自动递增，用于实现乐观锁机制。

4. 监视（Watchers）：

   • 客户端可以在ZNode上设置监视器，当ZNode发生变化时，客户端会收到通知。
   • 监视是一次性的，需要重新设置。

Zookeeper的工作原理

1. 集群架构：

   • Zookeeper通常部署为集群，称为Zookeeper Ensemble。
   • 集群中的每个服务器称为一个节点，节点分为领导者（Leader）和跟随者（Follower）。
   • Leader负责处理写请求，并同步到Followers，Followers负责处理读请求。

2. 一致性协议：

   • Zookeeper使用Zab协议（Zookeeper Atomic Broadcast）来保证集群的一致性。
   • Zab协议类似于Paxos协议，确保在Leader和Follower之间的状态同步和数据一致性。

3. 数据复制：

   • Zookeeper的每个节点都维护一个内存中的数据副本，通过事务日志和快照机制保证数据的持久性。
   • 当Leader接收到写请求时，它会生成事务ID（ZXID），并将请求广播给所有Followers进行复制。

Zookeeper的应用场景

1. 配置管理：

   • 集中式存储和管理配置信息，确保分布式系统中的各个组件使用一致的配置信息。

2. 命名服务：

   • 提供分布式命名服务，将资源名称映射到物理地址，实现动态服务发现。

3. 分布式锁：

   • 通过创建临时节点，实现分布式锁，确保在分布式环境中只有一个客户端可以访问共享资源。

4. 集群管理：

   • 管理集群中的节点状态，监控节点的加入和离开，实现高可用性和负载均衡。

5. Leader选举：

   • 在分布式系统中，通过Zookeeper实现Leader选举，确保系统中只有一个主节点进行操作。

在Spring Boot中集成Zookeeper

在Spring Boot中，可以使用Spring Cloud Zookeeper来简化与Zookeeper的集成。

1. 添加依赖：

   <dependency>
       <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
       <artifactId>spring-cloud-starter-zookeeper</artifactId>
   </dependency>

2. 配置Zookeeper连接信息 ：

   在application.yml文件中配置Zookeeper服务器地址：

   spring:
     cloud:
       zookeeper:
         connect-string: localhost:2181

3. 使用Zookeeper进行配置管理 ：

   通过注解@EnableZookeeperConfig启用Zookeeper配置管理：

   @SpringBootApplication
   @EnableZookeeperConfig
   public class MyApplication {
       public static void main(String[] args) {
           SpringApplication.run(MyApplication.class, args);
       }
   }

4. 使用Zookeeper进行服务注册和发现 ：

   通过注解@EnableDiscoveryClient启用服务注册和发现：

   @SpringBootApplication
   @EnableDiscoveryClient
   public class MyApplication {
       public static void main(String[] args) {
           SpringApplication.run(MyApplication.class, args);
       }
   }

Zookeeper是一个强大的分布式协调服务，广泛应用于分布式系统的配置管理、命名服务、分布式锁、集群管理和Leader选举等场景。通过Spring Cloud Zookeeper，可以简化与Zookeeper的集成，实现分布式系统的高可用性和一致性。

使用Zookeeper实现分布式锁的方案

临时无序节点 + 重试（自旋）- 非公平锁

实现步骤

1. 初始化锁目录

   • 确保锁目录存在，例如 /locks。如果不存在，则创建。

2. 创建临时无序节点

   • 每个客户端尝试在 /locks 目录下创建一个临时无序节点，表示锁的请求。

   String lockPath = zk.create("/locks/lock-", new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL);

3. 尝试获取锁

   • 获取 /locks 目录下所有子节点，检查当前是否只有自己一个节点存在。

   List<String> children = zk.getChildren("/locks", false);
   if (children.size() == 1 && children.contains(lockPath.substring("/locks/".length()))) {
       // 获取到锁
   } else {
       // 没有获取到锁，自旋重试
   }

4. 自旋重试

   • 如果没有获取到锁，则进行自旋重试，直到获取到锁为止。

   while (true) {
       List<String> children = zk.getChildren("/locks", false);
       if (children.size() == 1 && children.contains(lockPath.substring("/locks/".length()))) {
           // 获取到锁
           break;
       } else {
           // 等待一段时间再重试
           Thread.sleep(100);
       }
   }

5. 释放锁

   • 删除自己创建的临时节点，释放锁。

   zk.delete(lockPath, -1);

代码示例

以下是一个简单的分布式锁实现示例：

import org.apache.zookeeper.*;
import org.apache.zookeeper.data.Stat;

import java.util.List;

public class DistributedLock {
    private ZooKeeper zk;
    private String lockPath;
    private static final int SESSION_TIMEOUT = 30000;

    public DistributedLock(String zkHost) throws Exception {
        this.zk = new ZooKeeper(zkHost, SESSION_TIMEOUT, event -> {});
        Stat stat = zk.exists("/locks", false);
        if (stat == null) {
            zk.create("/locks", new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);
        }
    }

    public void acquireLock() throws Exception {
        lockPath = zk.create("/locks/lock-", new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL);
        while (true) {
            List<String> children = zk.getChildren("/locks", false);
            if (children.size() == 1 && children.contains(lockPath.substring("/locks/".length()))) {
                System.out.println("Acquired lock: " + lockPath);
                return;
            } else {
                Thread.sleep(100);
            }
        }
    }

    public void releaseLock() throws Exception {
        zk.delete(lockPath, -1);
        System.out.println("Released lock: " + lockPath);
    }
}

优点

• 实现简单：无需处理复杂的顺序和监听逻辑，代码简洁明了。
• 适用于非公平锁场景：在一些应用场景中，锁的公平性并不是必须的，这种实现方法可能会更适用。

缺点

• 不公平：锁的获取顺序不保证先来先得，可能会导致饥饿现象。
• 性能问题：自旋重试机制在高并发场景下可能会增加Zookeeper的负载和网络流量。
• 资源浪费：自旋重试会导致资源浪费，特别是在锁竞争激烈的情况下，频繁的重试会占用大量CPU和网络资源。

这种非公平锁的实现适合一些对锁公平性要求不高的应用场景，但在高并发和资源竞争激烈的场景下，可能需要考虑更复杂的实现方法，如临时顺序节点和监听器结合的方法。

临时顺序节点 + watch - 公平锁

实现步骤

1. 初始化锁目录

   • 确保锁目录存在，例如 /locks。如果不存在，则创建。

2. 创建临时顺序节点

   • 每个客户端尝试在 /locks 目录下创建一个临时顺序节点，表示锁的请求。

   String lockPath = zk.create("/locks/lock-", new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);

3. 获取所有子节点并排序

   • 获取 /locks 目录下所有子节点，并按顺序排序。

   List<String> children = zk.getChildren("/locks", false);
   Collections.sort(children);

4. 判断是否获取到锁

   • 如果当前节点是最小节点，则获取到锁。
   • 如果不是最小节点，则找到比当前节点小的前一个节点，并监听该节点的删除事件。

   String thisNode = lockPath.substring("/locks/".length());
   int index = children.indexOf(thisNode);
   if (index == 0) {
       // 获取到锁
   } else {
       String prevNode = children.get(index - 1);
       Stat stat = zk.exists("/locks/" + prevNode, new Watcher() {
           @Override
           public void process(WatchedEvent event) {
               if (event.getType() == Event.EventType.NodeDeleted) {
                   // 上一个节点被删除，尝试获取锁
                   acquireLock();
               }
           }
       });
       if (stat == null) {
           // 上一个节点已经不存在，重试获取锁
           acquireLock();
       }
   }

5. 释放锁

   • 删除自己创建的临时顺序节点，释放锁。

   zk.delete(lockPath, -1);

代码示例

以下是一个简单的公平锁实现示例：

import org.apache.zookeeper.*;
import org.apache.zookeeper.data.Stat;

import java.util.Collections;
import java.util.List;

public class DistributedFairLock {
    private ZooKeeper zk;
    private String lockPath;
    private String thisNode;
    private static final int SESSION_TIMEOUT = 30000;

    public DistributedFairLock(String zkHost) throws Exception {
        this.zk = new ZooKeeper(zkHost, SESSION_TIMEOUT, event -> {});
        Stat stat = zk.exists("/locks", false);
        if (stat == null) {
            zk.create("/locks", new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.PERSISTENT);
        }
    }

    public void acquireLock() throws Exception {
        this.lockPath = zk.create("/locks/lock-", new byte[0], ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
        this.thisNode = lockPath.substring("/locks/".length());

        while (true) {
            List<String> children = zk.getChildren("/locks", false);
            Collections.sort(children);
            int index = children.indexOf(thisNode);
            if (index == 0) {
                System.out.println("Acquired lock: " + lockPath);
                return;
            } else {
                String prevNode = children.get(index - 1);
                Stat stat = zk.exists("/locks/" + prevNode, new Watcher() {
                    @Override
                    public void process(WatchedEvent event) {
                        if (event.getType() == Event.EventType.NodeDeleted) {
                            try {
                                acquireLock();
                            } catch (Exception e) {
                                e.printStackTrace();
                            }
                        }
                    }
                });
                if (stat == null) {
                    acquireLock();
                } else {
                    synchronized (this) {
                        wait();
                    }
                }
            }
        }
    }

    public void releaseLock() throws Exception {
        zk.delete(lockPath, -1);
        System.out.println("Released lock: " + lockPath);
    }
}

优点

• 公平性：锁的获取顺序严格按照节点创建的顺序，保证公平性。
• 效率高：只有在前一个节点释放锁时，才会尝试获取锁，减少不必要的重试。

缺点

• 复杂度高：实现相对复杂，需要处理节点的监听和重试逻辑。
• ZooKeeper负载：在高并发场景下，ZooKeeper的负载可能较高。

这种实现方式适合对锁的公平性要求较高的应用场景，如订单系统、队列系统等。通过临时顺序节点和Watch机制，确保了锁的获取顺序，有效避免了饥饿现象。