如何使用ZooKeeper实现Java跨JVM的分布式读写锁

发布时间：2021-11-12 18:35:42 作者：柒染
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# 如何使用ZooKeeper实现Java跨JVM的分布式读写锁

## 一、分布式锁的背景与挑战

在现代分布式系统中，跨进程/跨主机的资源协调是一个核心挑战。传统的单机锁（如`synchronized`或`ReentrantLock`）无法解决以下问题：

1. **跨JVM同步失效**：单机锁只能控制同一JVM内的线程竞争
2. **单点故障风险**：基于数据库或Redis的实现存在服务不可用风险
3. **不可重入问题**：部分实现无法支持同一线程重复获取锁
4. **死锁风险**：锁持有者崩溃可能导致资源永久锁定

Apache ZooKeeper通过其**临时节点**、**顺序节点**和**Watcher机制**，提供了实现分布式锁的理想特性。

## 二、ZooKeeper核心机制解析

### 2.1 关键特性
- **临时节点（Ephemeral Nodes）**：客户端会话结束后自动删除
- **顺序节点（Sequential Nodes）**：节点名自动附加单调递增序号
- **Watcher机制**：节点变化时通知客户端

### 2.2 锁设计原理

/locks ├── read-0000000001 ├── read-0000000003 └── write-0000000002


#### 读写锁规则：
1. **读锁**：当无写锁（无序号更小的写节点）时可获取
2. **写锁**：当无任何锁（自己是序号最小节点）时可获取

## 三、Java实现详解

### 3.1 环境准备
```xml
<!-- Maven依赖 -->
<dependency>
    <groupId>org.apache.zookeeper</groupId>
    <artifactId>zookeeper</artifactId>
    <version>3.7.0</version>
</dependency>

3.2 基础锁实现

public class DistributedLock {
    private final ZooKeeper zk;
    private final String lockPath;
    private String currentLockPath;
    
    public DistributedLock(ZooKeeper zk, String lockPath) {
        this.zk = zk;
        this.lockPath = lockPath;
    }
    
    public void lock() throws Exception {
        currentLockPath = zk.create(lockPath + "/lock-", 
            null, 
            ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
            CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
        
        while (true) {
            List<String> children = zk.getChildren(lockPath, false);
            Collections.sort(children);
            
            if (currentLockPath.endsWith(children.get(0))) {
                return; // 获得锁
            }
            
            CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
            Stat stat = zk.exists(lockPath + "/" + children.get(0), 
                event -> {
                    if (event.getType() == EventType.NodeDeleted) {
                        latch.countDown();
                    }
                });
                
            if (stat != null) {
                latch.await();
            }
        }
    }
}

3.3 读写锁升级实现

public class DistributedReadWriteLock {
    private final ZooKeeper zk;
    private final String basePath;
    
    public enum LockType { READ, WRITE }
    
    public DistributedReadWriteLock(ZooKeeper zk, String basePath) {
        this.zk = zk;
        this.basePath = basePath;
        ensurePathExists();
    }
    
    private void ensurePathExists() {
        try {
            if (zk.exists(basePath, false) == null) {
                zk.create(basePath, null, 
                    ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, 
                    CreateMode.PERSISTENT);
            }
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
    
    public void lock(LockType type) throws Exception {
        String prefix = type == LockType.READ ? "read-" : "write-";
        String lockPath = zk.create(basePath + "/" + prefix, 
            null, 
            ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
            CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL);
        
        while (!tryAcquireLock(lockPath, type)) {
            waitForLock(lockPath, type);
        }
    }
    
    private boolean tryAcquireLock(String myPath, LockType type) {
        List<String> children = zk.getChildren(basePath, false);
        Collections.sort(children);
        
        String myNode = myPath.substring(myPath.lastIndexOf('/') + 1);
        int myIndex = children.indexOf(myNode);
        
        if (type == LockType.READ) {
            // 检查前面是否有写锁
            for (int i = 0; i < myIndex; i++) {
                if (children.get(i).startsWith("write-")) {
                    return false;
                }
            }
            return true;
        } else { // WRITE锁
            return myIndex == 0; // 必须是第一个节点
        }
    }
}

四、关键问题解决方案

4.1 惊群效应优化

通过只监听前一个节点而非所有节点：

private void waitForLock(String myPath, LockType type) throws Exception {
    String previousNode = getPreviousNode(myPath);
    if (previousNode != null) {
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
        zk.exists(basePath + "/" + previousNode, 
            event -> {
                if (event.getType() == EventType.NodeDeleted) {
                    latch.countDown();
                }
            });
        latch.await();
    }
}

4.2 锁释放实现

public void unlock(String lockPath) throws Exception {
    try {
        zk.delete(lockPath, -1);
    } catch (KeeperException.NoNodeException e) {
        // 锁已被自动释放（会话过期）
    }
}

4.3 可重入锁支持

private ThreadLocal<Map<String, Integer>> lockCount = 
    ThreadLocal.withInitial(HashMap::new);

public void lock() throws Exception {
    Integer count = lockCount.get().get(currentLockPath);
    if (count != null) {
        lockCount.get().put(currentLockPath, count + 1);
        return;
    }
    // ...原有获取锁逻辑...
    lockCount.get().put(currentLockPath, 1);
}

五、性能优化建议

连接复用：共享ZooKeeper客户端而非每次创建
本地缓存：缓存子节点列表减少ZK查询
锁超时：添加超时机制避免永久阻塞
```
latch.await(10, TimeUnit.SECONDS);
```
公平性调优：通过Leader选举优化大量锁竞争

六、与Curator框架对比

原生ZooKeeper API实现 vs Curator Recipes：

特性	原生实现	Curator框架
代码复杂度	高	低（预制方案）
连接管理	手动处理	自动重连
异常处理	完全自行控制	内置重试机制
功能扩展	灵活定制	受限但全面

Curator示例：

InterProcessReadWriteLock lock = 
    new InterProcessReadWriteLock(curatorClient, "/lock-path");
lock.readLock().acquire();

七、生产环境注意事项

会话超时：合理设置sessionTimeout（建议10-30秒）
```
new ZooKeeper(connectString, 15000, watcher);
```
Watch数量：避免过多Watcher导致内存溢出

ACL安全：使用合适的权限控制


zk.create(path, data, 
   ZooDefs.Ids.CREATOR_ALL_ACL, 
   CreateMode.EPHEMERAL);

监控指标：关注ZK节点的watchCount和dataSize

八、总结

本文实现的ZooKeeper分布式读写锁具备： - 跨JVM的进程间协调能力 - 公平的锁获取顺序（基于ZK顺序节点） - 自动释放机制（通过临时节点） - 读写锁语义分离

完整实现代码建议包含： 1. 锁超时自动释放 2. 锁等待队列可视化 3. 性能监控埋点

通过合理利用ZooKeeper的特性，我们可以构建出比Redis等方案更可靠的分布式锁服务，特别适合对一致性要求高的金融、交易等场景。 “`

（注：实际字数为2580字左右，可根据需要增减具体实现细节部分的篇幅来精确控制字数）