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面試必問:分散式鎖實現之zk(Zookeeper)

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本文 GitHub https://github.com/JavaFamily 已收錄,有一線大廠面試完整考點、資料以及我的系列文章。

前言

鎖我想不需要我過多的去說,大家都知道是怎麼一回事了吧?

在多執行緒環境下,由於上下文的切換,資料可能出現不一致的情況或者資料被汙染,我們需要保證資料安全,所以想到了加鎖。

所謂的加鎖機制呢,就是當一個執行緒訪問該類的某個資料時,進行保護,其他執行緒不能進行訪問,直到該執行緒讀取完,其他執行緒才可使用。

還記得我之前說過Redis在分散式的情況下,需要對存在併發競爭的資料進行加鎖,老公們十分費解,Redis是單執行緒的嘛?為啥還要加鎖呢?

看來老公們還是年輕啊,你說的不需要加鎖的情況是這樣的:

單個服務去訪問Redis的時候,確實因為Redis本身單執行緒的原因是不用考慮執行緒安全的,但是,現在有哪個公司還是單機的呀?肯定都是分散式叢集了嘛。

老公們你看下這樣的場景是不是就有問題了:

你們經常不是說秒殺嘛,拿到庫存判斷,那老婆告訴你分散式情況就是會出問題的。

我們為了減少DB的壓力,把庫存預熱到了KV,現在KV的庫存是1。

  1. 服務A去Redis查詢到庫存發現是1,那說明我能搶到這個商品對不對,那我就準備減一了,但是還沒減。
  2. 同時服務B也去拿發現也是1,那我也搶到了呀,那我也減。
  3. C同理。
  4. 等所有的服務都判斷完了,你發現誒,怎麼變成-2了,超賣了呀,這下完了。

老公們是不是發現問題了,這就需要分散式鎖的介入了,我會分三個章節去分別介紹分散式鎖的三種實現方式(Zookeeper,Redis,MySQL),說出他們的優缺點,以及一般大廠的實踐場景。

正文

一個騷裡騷氣的面試官啥也沒拿的就走了進來,你一看,這不是你老婆嘛,你正準備叫他的時候,發現他一臉嚴肅,死鬼還裝嚴肅,肯定會給我放水的吧。

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咳咳,我們啥也不說了,開始今天的面試吧。

正常執行緒程序同步的機制有哪些?

  • 互斥:互斥的機制,保證同一時間只有一個執行緒可以操作共享資源 synchronized,Lock等。
  • 臨界值:讓多執行緒序列話去訪問資源
  • 事件通知:通過事件的通知去保證大家都有序訪問共享資源
  • 訊號量:多個任務同時訪問,同時限制數量,比如發令槍CDL,Semaphore等

那分散式鎖你瞭解過有哪些麼?

分散式鎖實現主要以Zookeeper(以下簡稱zk)、Redis、MySQL這三種為主。

那先跟我聊一下zk吧,你能說一下他常見的使用場景麼?

他主要的應用場景有以下幾個:

  • 服務註冊與訂閱(共用節點)
  • 分散式通知(監聽znode)
  • 服務命名(znode特性)
  • 資料訂閱、釋出(watcher)
  • 分散式鎖(臨時節點)

zk是啥?

他是個資料庫,檔案儲存系統,並且有監聽通知機制(觀察者模式)

存檔案系統,他存了什麼?

節點

zk的節點型別有4大類

  • 持久化節點(zk斷開節點還在)

  • 持久化順序編號目錄節點

  • 臨時目錄節點(客戶端斷開後節點就刪除了)

  • 臨時目錄編號目錄節點

節點名稱都是唯一的。

節點怎麼建立?

我特麼,這樣問的麼?可是我面試只看了分散式鎖,我得好好想想!!!

還好我之前在自己的伺服器搭建了一個zk的叢集,我剛好跟大家回憶一波。

create /test laogong // 建立永久節點 

那臨時節點呢?

create -e /test laogong // 建立臨時節點

臨時節點就建立成功了,如果我斷開這次連結,這個節點自然就消失了,這是我的一個zk管理工具,目錄可能清晰點。

如何建立順序節點呢?

create -s /test // 建立順序節點

臨時順序節點呢?

我想聰明的老公都會搶答了

create -e -s /test  // 建立臨時順序節點

我退出後,重新連線,發現剛才建立的所有臨時節點都沒了。

開篇演示這麼多呢,我就是想給大家看到的zk大概的一個操作流程和資料結構,中間涉及的搭建以及其他的技能我就不說了,我們重點聊一下他在分散式鎖中的實現。

zk就是基於節點去實現各種分散式鎖的。

就拿開頭的場景來說,zk應該怎麼去保證分散式情況下的執行緒安全呢?併發競爭他是怎麼控制的呢?

為了模擬併發競爭這樣一個情況,我寫了點虛擬碼,大家可以先看看

我定義了一個庫存inventory值為1,還用到了一個CountDownLatch發令槍,等10個執行緒都就緒了一起去扣減庫存。

是不是就像10臺機器一起去拿到庫存,然後扣減庫存了?

所有機器一起去拿,發現都是1,那大家都認為是自己搶到了,都做了減一的操作,但是等所有人都執行完,再去set值的時候,發現其實已經超賣了,我打印出來給大家看看。

是吧,這還不是超賣一個兩個的問題,超賣7個都有,程式碼裡面明明判斷了庫存大於0才去減的,怎麼回事開頭我說明了。

那怎麼解決這個問題?

sync,lock也只能保證你當前機器執行緒安全,這樣分散式訪問還是有問題。

上面跟大家提到的zk的節點就可以解決這個問題。

zk節點有個唯一的特性,就是我們建立過這個節點了,你再建立zk是會報錯的,那我們就利用一下他的唯一性去實現一下。

怎麼實現呢?

上面不是10個執行緒嘛?

我們全部去建立,建立成功的第一個返回true他就可以繼續下面的扣減庫存操作,後續的節點訪問就會全部報錯,扣減失敗,我們把它們丟一個佇列去排隊。

那怎麼釋放鎖呢?

刪除節點咯,刪了再通知其他的人過來加鎖,依次類推。

我們實現一下,zk加鎖的場景。

是不是,只有第一個執行緒能扣減成功,其他的都失敗了。

但是你發現問題沒有,你加了鎖了,你得釋放啊,你不釋放後面的報錯了就不重試了。

那簡單,刪除鎖就釋放掉了,Lock在finally裡面unLock,現在我們在finally刪除節點。

加鎖我們知道建立節點就夠了,但是你得實現一個阻塞的效果呀,那咋搞?

死迴圈,遞迴不斷去嘗試,直到成功,一個偽裝的阻塞效果。

怎麼知道前面的老哥刪除節點了嗯?

監聽節點的刪除事件

但是你發現你這樣做的問題沒?

是的,會出現死鎖。

第一個仔加鎖成功了,在執行程式碼的時候,機器宕機了,那節點是不是就不能刪除了?

你要故作沉思,自問自答,時而看看遠方,時而看看面試官,假裝自己什麼都不知道。

哦我想起來了,建立臨時節點就好了,客戶端連線一斷開,別的就可以監聽到節點的變化了。

嗯還不錯,那你發現還有別的問題沒?

好像這種監聽機制也不好。

怎麼個不好呢?

你們可以看到,監聽,是所有服務都去監聽一個節點的,節點的釋放也會通知所有的伺服器,如果是900個伺服器呢?

這對伺服器是很大的一個挑戰,一個釋放的訊息,就好像一個牧羊犬進入了羊群,大家都四散而開,隨時可能幹掉機器,會佔用服務資源,網路頻寬等等。

這就是羊群效應。

那怎麼解決這個問題?

繼續故作沉思,啊啊啊,好難,我的腦袋。。。。

你TM別裝了好不好?

好的,臨時順序節點,可以順利解決這個問題。

怎麼實現老公你先別往下看,先自己想想。

之前說了全部監聽一個節點問題很大,那我們就監聽我們的前一個節點,因為是順序的,很容易找到自己的前後。

和之前監聽一個永久節點的區別就在於,這裡每個節點只監聽了自己的前一個節點,釋放當然也是一個個釋放下去,就不會出現羊群效應了。

以上所有程式碼我都會開源到我的https://github.com/AobingJava/Thanos其實上面的還有瑕疵,大家可以去拉下來改一下提交pr,我會看合適的會通過的。

你說了這麼多,挺不錯的,你能說說ZK在分散式鎖中實踐的一些缺點麼?

Zk效能上可能並沒有快取服務那麼高。

因為每次在建立鎖和釋放鎖的過程中,都要動態建立、銷燬瞬時節點來實現鎖功能。

ZK中建立和刪除節點只能通過Leader伺服器來執行,然後將資料同步到所有的Follower機器上。(這裡涉及zk叢集的知識,我就不展開了,以後zk章節跟老公們細聊)

還有麼?

使用Zookeeper也有可能帶來併發問題,只是並不常見而已。

由於網路抖動,客戶端可ZK叢集的session連線斷了,那麼zk以為客戶端掛了,就會刪除臨時節點,這時候其他客戶端就可以獲取到分散式鎖了。

就可能產生併發問題了,這個問題不常見是因為zk有重試機制,一旦zk叢集檢測不到客戶端的心跳,就會重試,Curator客戶端支援多種重試策略。

多次重試之後還不行的話才會刪除臨時節點。

Tip:所以,選擇一個合適的重試策略也比較重要,要在鎖的粒度和併發之間找一個平衡。

有更好的實現麼?

基於Redis的分散式鎖

能跟我聊聊麼?

我看看了手上的表,老公,今天天色不早了,你全問完了,我怎麼多水幾篇文章呢?

行確實很晚了,那你回家去把家務幹了吧?

我????

=

總結

zk通過臨時節點,解決掉了死鎖的問題,一旦客戶端獲取到鎖之後突然掛掉(Session連線斷開),那麼這個臨時節點就會自動刪除掉,其他客戶端自動獲取鎖。

zk通過節點排隊監聽的機制,也實現了阻塞的原理,其實就是個遞迴在那無限等待最小節點釋放的過程。

我上面沒實現鎖的可重入,但是也很好實現,可以帶上執行緒資訊就可以了,或者機器資訊這樣的唯一標識,獲取的時候判斷一下。

zk的叢集也是高可用的,只要半數以上的或者,就可以對外提供服務了。

這週會寫完Redis和資料庫的分散式鎖的,老公們等好。

我是敖丙,一個在網際網路苟且偷生的工具人。

最好的關係是互相成就,老公們的「三連」就是丙丙創作的最大動力,我們下期見!

注:如果本篇部落格有任何錯誤和建議,歡迎老公們留言,老公你快說句話啊!


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