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05.Curator分布式锁

锁：分布式的锁全局同步，这意味着任何一个时间点不会有两个客户端都拥有相同的锁。

1.可重入锁Shared Reentrant Lock

首先我们先看一个全局可重入的锁(可以多次获取，不会被阻塞)。Shared意味着锁是全局可见的，客户端都可以请求锁。Reentrant和JDK的ReentrantLock类似，意味着同一个客户端在拥有锁的同时，可以多次获取，不会被阻塞。

1.可重入锁相关类介绍

它是由类InterProcessMutex来实现。它的主要方法：

// 构造方法
public InterProcessMutex(CuratorFramework client, String path)
public InterProcessMutex(CuratorFramework client, String path, LockInternalsDriver driver)
// 通过acquire获得锁,并提供超时机制：
public void acquire() throws Exception
public boolean acquire(long time, TimeUnit unit) throws Exception
// 撤销锁
public void makeRevocable(RevocationListener<InterProcessMutex> listener)
public void makeRevocable(final RevocationListener<InterProcessMutex> listener, Executor executor)

错误处理：还是强烈推荐你使用ConnectionStateListener处理连接状态的改变。当连接LOST时你不再拥有锁。

2.编写示例程序

首先让我们创建一个模拟的共享资源，这个资源期望只能单线程的访问，否则会有并发问题。

public class FakeLimitedResource
{
    private final AtomicBoolean inUse = new AtomicBoolean(false);
    // 模拟只能单线程操作的资源
    public void use() throws InterruptedException
    {
        if (!inUse.compareAndSet(false, true))
        {
            // 在正确使用锁的情况下，此异常不可能抛出
            throw new IllegalStateException("Needs to be used by one client at a time");
        }
        try
        {
            Thread.sleep((long) (3 * Math.random()));
        }
        finally
        {
            inUse.set(false);
        }
    }
}

然后创建一个ExampleClientThatLocks类，它负责请求锁，使用资源，释放锁这样一个完整的访问过程。

public class ExampleClientThatLocks
{
    private final InterProcessMutex lock;
    private final FakeLimitedResource resource;
    private final String clientName;
    public ExampleClientThatLocks(CuratorFramework client, String lockPath, FakeLimitedResource resource, String clientName)
    {
        this.resource = resource;
        this.clientName = clientName;
        lock = new InterProcessMutex(client, lockPath);
    }
    public void doWork(long time, TimeUnit unit) throws Exception
    {
        if (!lock.acquire(time, unit))
        {
            throw new IllegalStateException(clientName + " 不能得到互斥锁");
        }
        try
        {
            System.out.println(clientName + " 已获取到互斥锁");
            resource.use(); // 使用资源
            Thread.sleep(1000 * 1);
        }
        finally
        {
            System.out.println(clientName + " 释放互斥锁");
            lock.release(); // 总是在finally中释放
        }
    }
}

最后创建主程序来测试：

public class InterProcessMutexExample
{
    private static final int QTY = 5;
    private static final int REPETITIONS = QTY * 10;
    private static final String PATH = "/examples/locks";
    public static void main(String[] args) throws Exception
    {
        final FakeLimitedResource resource = new FakeLimitedResource();
        final List<CuratorFramework> clientList = new ArrayList<CuratorFramework>();
        for (int i = 0; i < QTY; i++)
        {
            CuratorFramework client = CuratorFrameworkFactory.newClient("127.0.0.1:2181", new ExponentialBackoffRetry(1000, 3));
            client.start();
            clientList.add(client);
        }
        System.out.println("连接初始化完成！");
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(QTY);
        for (int i = 0; i < QTY; ++i)
        {
            final int index = i;
            Callable<Void> task = new Callable<Void>()
            {
                @Override
                public Void call() throws Exception
                {
                    try
                    {
                        final ExampleClientThatLocks example = new ExampleClientThatLocks(clientList.get(index), PATH, resource, "Client " + index);
                        for (int j = 0; j < REPETITIONS; ++j)
                        {
                            example.doWork(10, TimeUnit.SECONDS);
                        }
                    }
                    catch (Throwable e)
                    {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    finally
                    {
                        CloseableUtils.closeQuietly(clientList.get(index));
                    }
                    return null;
                }
            };
            service.submit(task);
        }
        service.shutdown();
        service.awaitTermination(10, TimeUnit.MINUTES);
        System.out.println("OK!");
    }
}

代码也很简单，生成5个client，每个client重复执行10次请求锁--访问资源--释放锁的过程。每个client都在独立的线程中。

结果可以看到，锁是随机的被每个实例排他性的使用。

既然是可重入锁，你可以在一个线程中多次调用acquire,在线程拥有锁时它总是返回true。

注意：你不应该在多个线程中用同一个InterProcessMutex，你可以在每个线程中都生成一个InterProcessMutex实例，它们的path都一样，这样它们可以共享同一个锁。

3.示例运行结果

运行结果控制台如下：

连接初始化完成！
Client 4 已获取到互斥锁
Client 4 释放互斥锁
Client 3 已获取到互斥锁
Client 3 释放互斥锁
......
Client 2 已获取到互斥锁
Client 2 释放互斥锁
OK!

运行时查看Zookeeper节点信息如下：

2.不可重入锁Shared Lock

这个锁和上面的相比，就是少了Reentrant的功能，也就意味着它不能在同一个线程中重入。这个类是InterProcessSemaphoreMutex使用方法和上面的类类似

首先我们将上面的例子修改一下，测试一下它的重入。修改ExampleClientThatLocks.doWork,连续两次acquire:

public void doWork(long time, TimeUnit unit) throws Exception
{
    if (!lock.acquire(time, unit))
    {
        throw new IllegalStateException(clientName + " 不能得到互斥锁");
    }
    System.out.println(clientName + " 已获取到互斥锁");
    if (!lock.acquire(time, unit))
    {
        throw new IllegalStateException(clientName + " 不能得到互斥锁");
    }
    System.out.println(clientName + " 再次获取到互斥锁");
    try
    {
        resource.use(); // 使用资源
        Thread.sleep(1000 * 1);
    }
    finally
    {
        System.out.println(clientName + " 释放互斥锁");
        lock.release(); // 总是在finally中释放
        lock.release(); // 获取锁几次 释放锁也要几次
    }
}

注意：我们也需要调用release两次。这和JDK的ReentrantLock用法一致。如果少调用一次release，则此线程依然拥有锁。

上面的代码没有问题，我们可以多次调用acquire，后续的acquire也不会阻塞。

但是将上面的InterProcessMutex换成不可重入锁InterProcessSemaphoreMutex,如果再运行上面的代码，结果就会发现线程被阻塞在第二个acquire上，直到超时。也就是此锁不是可重入的。

3.可重入读写锁Shared Reentrant Read Write Lock

类似JDK的ReentrantReadWriteLock。一个读写锁管理一对相关的锁。一个负责读操作，另外一个负责写操作。读操作在写锁没被使用时可同时由多个进程使用，而写锁在使用时不允许读(阻塞)。

此锁是可重入的。一个拥有写锁的线程可重入读锁，但是读锁却不能进入写锁。这也意味着写锁可以降级成读锁，比如请求写锁 --->读锁 ---->释放写锁。从读锁升级成写锁是不行的。

1.可重入读写锁相关类介绍

可重入读写锁主要由两个类实现：InterProcessReadWriteLock、InterProcessMutex。使用时首先创建一个InterProcessReadWriteLock实例，然后再根据你的需求得到读锁或者写锁，读写锁的类型是InterProcessMutex。

2.编写示例程序

示例程序仍使用上面的FakeLimitedResource、InterProcessMutexExample类

public class ExampleClientReadWriteLocks
{
    private final InterProcessReadWriteLock lock;
    private final InterProcessMutex readLock;
    private final InterProcessMutex writeLock;
    private final FakeLimitedResource resource;
    private final String clientName;
    public ExampleClientReadWriteLocks(CuratorFramework client, String lockPath, FakeLimitedResource resource, String clientName)
    {
        this.resource = resource;
        this.clientName = clientName;
        lock = new InterProcessReadWriteLock(client, lockPath);
        readLock = lock.readLock();
        writeLock = lock.writeLock();
    }
    public void doWork(long time, TimeUnit unit) throws Exception
    {
        // 注意只能先得到写锁再得到读锁，不能反过来！！！
        if (!writeLock.acquire(time, unit))
        {
            throw new IllegalStateException(clientName + " 不能得到写锁");
        }
        System.out.println(clientName + " 已得到写锁");
        if (!readLock.acquire(time, unit))
        {
            throw new IllegalStateException(clientName + " 不能得到读锁");
        }
        System.out.println(clientName + " 已得到读锁");
        try
        {
            resource.use(); // 使用资源
            Thread.sleep(1000 * 1);
        }
        finally
        {
            System.out.println(clientName + " 释放读写锁");
            readLock.release();
            writeLock.release();
        }
    }
}

在这个类中我们首先请求了一个写锁，然后降级成读锁。执行业务处理，然后释放读写锁。修改InterProcessMutexExample类中的ExampleClientThatLocks为ExampleClientReadWriteLocks然后运行示例。

3.示例运行结果

运行结果控制台：

连接初始化完成！
Client 1 已得到写锁
Client 1 已得到读锁
Client 1 释放读写锁
......
Client 3 已得到写锁
Client 3 已得到读锁
Client 3 释放读写锁
OK!

此时查看Zookeeper数据节点如下：

4.信号量Shared Semaphore

一个计数的信号量类似JDK的Semaphore。JDK中Semaphore维护的一组许可(permits)，而Cubator中称之为租约(Lease)。

有两种方式可以决定semaphore的最大租约数。第一种方式是有用户给定的path决定。第二种方式使用SharedCountReader类。

如果不使用SharedCountReader,没有内部代码检查进程是否假定有10个租约而进程B假定有20个租约。所以所有的实例必须使用相同的numberOfLeases值.

1.信号量实现类说明

主要类有：

InterProcessSemaphoreV2 - 信号量实现类
Lease - 租约(单个信号)
SharedCountReader - 计数器，用于计算最大租约数量

这次调用acquire会返回一个租约对象。客户端必须在finally中close这些租约对象，否则这些租约会丢失掉。但是，如果客户端session由于某种原因比如crash丢掉，那么这些客户端持有的租约会自动close，这样其它客户端可以继续使用这些租约。

租约还可以通过下面的方式返还：

public void returnLease(Lease lease)
public void returnAll(Collection<Lease> leases)

注意一次你可以请求多个租约，如果Semaphore当前的租约不够，则请求线程会被阻塞。同时还提供了超时的重载方法。

public Lease acquire() throws Exception
public Collection<Lease> acquire(int qty) throws Exception
public Lease acquire(long time, TimeUnit unit) throws Exception
public Collection<Lease> acquire(int qty, long time, TimeUnit unit) throws Exception

2.编写示例程序

public class InterProcessSemaphoreExample
{
    private static final int MAX_LEASE = 10;
    private static final String PATH = "/examples/locks";
    public static void main(String[] args) throws Exception
    {
        FakeLimitedResource resource = new FakeLimitedResource();
        CuratorFramework client = CuratorFrameworkFactory.newClient("127.0.0.1:2181", new ExponentialBackoffRetry(1000, 3));
        client.start();
        InterProcessSemaphoreV2 semaphore = new InterProcessSemaphoreV2(client, PATH, MAX_LEASE);
        Collection<Lease> leases = semaphore.acquire(5);
        System.out.println("获取租约数量：" + leases.size());
        Lease lease = semaphore.acquire();
        System.out.println("获取单个租约");
        resource.use();
        Collection<Lease> leases2 = semaphore.acquire(5, 10, TimeUnit.SECONDS);
        System.out.println("获取租约，如果为空则超时： " + leases2);
        System.out.println("释放租约");
        semaphore.returnLease(lease);
        System.out.println("释放集合中的所有租约");
        semaphore.returnAll(leases);
        client.close();
        System.out.println("OK!");
    }
}

首先我们先获得了5个租约，接着请求了一个租约，因为semaphore还有5个租约，所以请求可以满足，返回一个租约，还剩4个租约。

然后再请求一个租约，因为租约不够，阻塞到超时，还是没能满足，返回结果为null。

3.示例运行结果

运行结果控制台如下：

获取租约数量：5
获取单个租约
获取租约，如果为空则超时： null
释放租约
释放集合中的所有租约
OK!

此时查看Zookeeper数据节点如下：

注意：上面所讲的4种锁都是公平锁(fair)。从ZooKeeper的角度看，每个客户端都按照请求的顺序获得锁。相当公平。

5.多锁对象 Multi Shared Lock

Multi Shared Lock是一个锁的容器。当调用acquire，所有的锁都会被acquire，如果请求失败，所有的锁都会被release。同样调用release时所有的锁都被release(失败被忽略)。基本上，它就是组锁的代表，在它上面的请求释放操作都会传递给它包含的所有的锁。

1.主要类说明

主要涉及两个类：

InterProcessMultiLock - 对所对象实现类
InterProcessLock - 分布式锁接口类

它的构造函数需要包含的锁的集合，或者一组ZooKeeper的path。用法和Shared Lock相同。

public InterProcessMultiLock(CuratorFramework client, List<String> paths)
public InterProcessMultiLock(List<InterProcessLock> locks)

2.编写示例程序

public class InterProcessMultiLockExample
{
    private static final String PATH1 = "/examples/locks1";
    private static final String PATH2 = "/examples/locks2";
    public static void main(String[] args) throws Exception
    {
        FakeLimitedResource resource = new FakeLimitedResource();
        CuratorFramework client = CuratorFrameworkFactory.newClient("127.0.0.1:2181", new ExponentialBackoffRetry(1000, 3));
        client.start();
        InterProcessLock lock1 = new InterProcessMutex(client, PATH1); // 可重入锁
        InterProcessLock lock2 = new InterProcessSemaphoreMutex(client, PATH2); // 不可重入锁
        InterProcessMultiLock lock = new InterProcessMultiLock(Arrays.asList(lock1, lock2));
        if (!lock.acquire(10, TimeUnit.SECONDS))
        {
            throw new IllegalStateException("不能获取多锁");
        }
        System.out.println("已获取多锁");
        System.out.println("是否有第一个锁: " + lock1.isAcquiredInThisProcess());
        System.out.println("是否有第二个锁: " + lock2.isAcquiredInThisProcess());
        try
        {
            resource.use(); // 资源操作
        }
        finally
        {
            System.out.println("释放多个锁");
            lock.release(); // 释放多锁
        }
        System.out.println("是否有第一个锁: " + lock1.isAcquiredInThisProcess());
        System.out.println("是否有第二个锁: " + lock2.isAcquiredInThisProcess());
        client.close();
        System.out.println("OK!");
    }
}

新建一个InterProcessMultiLock，包含一个重入锁和一个非重入锁。调用acquire后可以看到线程同时拥有了这两个锁。调用release看到这两个锁都被释放了。

注意：再重申一遍，强烈推荐使用ConnectionStateListener监控连接的状态。

3.示例运行结果

运行结果控制台如下：

已获取多锁
是否有第一个锁: true
是否有第二个锁: true
释放多个锁
是否有第一个锁: false
是否有第二个锁: false
OK!

此时查看Zookeeper数据节点如下：

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