Zookeeper基础教程（五）：C#实现Zookeeper分布式锁

　　分布式锁　

　　互联网初期，我们系统一般都是单点部署，也就是在一台服务器完成系统的部署，后期随着用户量的增加，服务器的压力也越来越大，响应速度越来越慢，甚至出现服务器崩溃的情况。

　　为解决服务器压力太大，响应慢的特点，分布式系统部署出现了。

　　简单的说，就是我们将系统资源部署到多台服务器中，然后使用一台服务器做入口代理，根据一些决策将接收到的请求转发到资源服务器，这也就是我们常说的 反向代理（一般就是使用nginx）

　　

 　　虽然分布式解决了服务器压力的问题，但也带来了新的问题。

　　比如，我们有一个下单统计的功能，当完成下单后，需要执行统计功能，而在高访问的情况下，可能有两个下单请求（A和B）同时完成，然后一起执行了统计功能，这样可能导致的结果就是A请求未将B请求数据统计在内，而B请求可能也未将A请求数据统计在内，这样就造成了数据的统计错，这个问题的产生的根本原因就是统计功能的并发导致的，如果是单点部署的系统，我们简单的使用一个锁操作就能完成了，但是在分布式环境下，A和B请求可能同时运行在两个服务器中，普通的锁就不能起到效果了，这个时候就要使用分布式锁了。

 

　　Zookeeper分布式锁原理

　　分布式锁的实现发放有多种，简单的，我们可以使用数据库表去实现它，也可以使用redis去实现它，这里要使用的Zookeeper去实现分布式锁

　　Zookeeper分布式锁的原理是巧妙的是使用了znode临时节点的特点和监听（watcher）机制，监听机制很简单，就是我们可以给znode添加一个监听器，当znode节点状态发生改变时（如：数据内容改变，节点被删除），会通知到监听器。

　　前面几节介绍过znode有三种类型　　

　　PERSISTENT：持久节点，即使在创建该特定znode的客户端断开连接后，持久节点仍然存在。默认情况下，除非另有说明，否则所有znode都是持久的。
　　EPHEMERAL：临时节点，客户端是连接状态时，临时节点就是有效的。当客户端与ZooKeeper集合断开连接时，临时节点会自动删除。临时节点不允许有子节点。临时节点在leader选举中起着重要作用。
　　SEQUENTIAL：顺序节点，可以是持久的或临时的。当一个新的znode被创建为一个顺序节点时，ZooKeeper通过将10位的序列号附加到原始名称来设置znode的路径，顺序节点在锁定和同步中起重要作用。

　　其中，顺序节点，可以是持久的或临时的，而临时节点有个特点，就是它属于创建它的那个会话，当会话断开，临时节点就会自动删除，如果在临时节点上注册了监听器，那么监听器就会收到通知，如果临时节点有了时间顺序，那我们为实现分布式锁就又有一个想法：

　　假如在Zookeeper中有一个znode节点/Locker

　　1、当client1连接Zookeeper时，先判断/Locker节点是否存在子节点，如果没有子节点，那么会在/Locker节点下创建一个临时顺序的znode节点，假如是/client1，表示client1获取了锁状态，client1可以继续执行。

　　2、当client2连接Zookeeper时，先判断/Locker节点是否存在子节点，发现已经存在子节点了，然后获取/Locker下的所有子节点，同时按时间顺序排序，在最后一个节点，也就是/client1节点上注册一个监听器（watcher1），同时在/Locker节点下创建一个临时顺序的znode节点，假如是/client2。同时client2将被阻塞，而阻塞状态的释放是在监听器（watcher1）中的。

　　3、当client3连接Zookeeper时，先判断/Locker节点是否存在子节点，发现已经存在子节点了，然后获取/Locker下的所有子节点，同时按时间顺序排序，在最后一个节点，也就是/client2节点上注册一个监听器（watcher2），同时在/Locker节点下创建一个临时顺序的znode节点，假如是/client3。同时client2将被阻塞，而阻塞状态的释放是在监听器（watcher2）中的。

　　以此类推。

　　4、当client1执行完操作了，断开Zookeeper的连接，因为/client1是临时顺序节点，于是将会自动删除，而client2已经往/client1节点中注册了一个监听器（watcher1）,于是watcher1将会受到通知，而watcher1又会释放client2的阻塞状态。于是client2获取锁状态，继续执行。

　　5、当client2执行完操作了，断开Zookeeper的连接，因为/client2是临时顺序节点，于是将会自动删除，而client3已经往/client2节点中注册了一个监听器（watcher2）,于是watcher2将会受到通知，而watcher2又会释放client3的阻塞状态。于是client3获取锁状态，继续执行。

　　以此类推。

　　这样，不管分布式环境中有几台服务器，都可以保证程序的排队似的执行了。

 

　　C#实现Zookeeper分布式锁

　　上一节有封装过一个ZookeeperHelper的辅助类（Zookeeper基础教程（四）：C#连接使用Zookeeper），使用这个辅助类实现了一个ZookeeperLocker类：　　

　　

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace AspNetCore.ZookeeperConsole
{
    /// <summary>
    /// 基于Zookeeper的分布式锁
    /// </summary>
    public class ZookeeperLocker : IDisposable
    {
        /// <summary>
        /// 单点锁
        /// </summary>
        static object locker = new object();
        /// <summary>
        /// Zookeeper集群地址
        /// </summary>
        string[] address;
        /// <summary>
        /// Zookeeper操作辅助类
        /// </summary>
        ZookeeperHelper zookeeperHelper;

        /// <summary>
        /// 构造函数
        /// </summary>
        /// <param name="lockerPath">分布式锁的根路径</param>
        /// <param name="address">集群地址</param>
        public ZookeeperLocker(string lockerPath, params string[] address) : this(lockerPath, 0, address)
        {
        }
        /// <summary>
        /// 构造函数
        /// </summary>
        /// <param name="lockerPath">分布式锁的根路径</param>
        /// <param name="sessionTimeout">回话过期时间</param>
        /// <param name="address">集群地址</param>
        public ZookeeperLocker(string lockerPath, int sessionTimeout, params string[] address)
        {
            this.address = address.ToArray();

            zookeeperHelper = new ZookeeperHelper(address, lockerPath);
            if (sessionTimeout > 0)
            {
                zookeeperHelper.SessionTimeout = sessionTimeout;
            }
            if (!zookeeperHelper.Connect())
            {
                throw new Exception("connect failed:" + string.Join(",", address));
            }
            lock (locker)
            {
                if (!zookeeperHelper.Exists())//根节点不存在则创建
                {
                    zookeeperHelper.SetData("", "", true);
                }
            }
        }
        /// <summary>
        /// 生成一个锁
        /// </summary>
        /// <returns>返回锁名</returns>
        public string CreateLock()
        {
            var path = Guid.NewGuid().ToString().Replace("-", "");
            while (zookeeperHelper.Exists(path))
            {
                path = Guid.NewGuid().ToString().Replace("-", "");
            }
            return CreateLock(path);
        }
        /// <summary>
        /// 使用指定的路径名称设置锁
        /// </summary>
        /// <param name="path">锁名，不能包含路径分隔符（/）</param>
        /// <returns>返回锁名</returns>
        public string CreateLock(string path)
        {
            if (path.Contains("/"))
            {
                throw new ArgumentException("invalid path");
            }
            return zookeeperHelper.SetData(path, "", false, true);
        }
        /// <summary>
        /// 获取锁
        /// </summary>
        /// <param name="path">锁名</param>
        /// <returns>如果获得锁返回true，否则一直等待</returns>
        public bool Lock(string path)
        {
            return LockAsync(path).GetAwaiter().GetResult();
        }
        /// <summary>
        /// 获取锁
        /// </summary>
        /// <param name="path">锁名</param>
        /// <param name="millisecondsTimeout">超时时间，单位：毫秒</param>
        /// <returns>如果获得锁返回true，否则等待指定时间后返回false</returns>
        public bool Lock(string path, int millisecondsTimeout)
        {
            return LockAsync(path, millisecondsTimeout).GetAwaiter().GetResult();
        }
        /// <summary>
        /// 异步获取锁等等
        /// </summary>
        /// <param name="path">锁名</param>
        /// <returns>如果获得锁返回true，否则一直等待</returns>
        public async Task<bool> LockAsync(string path)
        {
            return await LockAsync(path, System.Threading.Timeout.Infinite);
        }
        /// <summary>
        /// 异步获取锁等等
        /// </summary>
        /// <param name="path">锁名</param>
        /// <param name="millisecondsTimeout">超时时间，单位：毫秒</param>
        /// <returns>如果获得锁返回true，否则等待指定时间后返回false</returns>
        public async Task<bool> LockAsync(string path, int millisecondsTimeout)
        {
            var array = await zookeeperHelper.GetChildrenAsync("", true);
            if (array != null && array.Length > 0)
            {
                var first = array.FirstOrDefault();
                if (first == path)//正好是优先级最高的，则获得锁
                {
                    return true;
                }

                var index = array.ToList().IndexOf(path);
                if (index > 0)
                {
                    //否则添加监听
                    var are = new AutoResetEvent(false);
                    var watcher = new NodeWatcher();
                    watcher.NodeDeleted += (ze) =>
                    {
                        are.Set();
                    };
                    if (await zookeeperHelper.WatchAsync(array[index - 1], watcher))//监听顺序节点中的前一个节点
                    {
                        if (!are.WaitOne(millisecondsTimeout))
                        {
                            return false;
                        }
                    }

                    are.Dispose();
                }
                else
                {
                    throw new InvalidOperationException($"no locker found in path:{zookeeperHelper.CurrentPath}");
                }
            }
            return true;
        }
        /// <summary>
        /// 释放资源
        /// </summary>
        public void Dispose()
        {
            zookeeperHelper.Dispose();
        }
    }
}

　　现在写个程序可以模拟一下　　

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;
using System.Threading;

namespace AspNetCore.ZookeeperConsole
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            //Zookeeper连接字符串，采用host:port格式，多个地址之间使用逗号（,）隔开
            string[] address = new string[] { "192.168.209.133:2181", "192.168.209.133:2181", "192.168.209.133:2181" };
            //会话超时时间,单位毫秒
            int sessionTimeOut = 10000;
            //锁节点根路径
            string lockerPath = "/Locker";

            for (var i = 0; i < 10; i++)
            {
                string client = "client" + i;
                //多线程模拟并发
                new Thread(() =>
                {
                    using (ZookeeperLocker zookeeperLocker = new ZookeeperLocker(lockerPath, sessionTimeOut, address))
                    {
                        string path = zookeeperLocker.CreateLock();
                        if (zookeeperLocker.Lock(path))
                        {
                            //模拟处理过程
                            Console.WriteLine($"【{client}】获得锁:{DateTime.Now}");
                            Thread.Sleep(3000);
                            Console.WriteLine($"【{client}】处理完成:{DateTime.Now}");
                        }
                        else
                        {
                            Console.WriteLine($"【{client}】获得锁失败:{DateTime.Now}");
                        }
                    }
                }).Start();
            }
                        
            Console.ReadKey();
        }
    }
}

　　运行结果如下：

　　

 　　可以发现，锁功能是实现了的

　　如果程序运行中打印日志：Client session timed out, have not heard from server in 8853ms for sessionid 0x1000000ec5500b2

　　或者直接抛出异常：org.apache.zookeeper.KeeperException.ConnectionLossException:“Exception_WasThrown”

　　只需要适当调整sessionTimeOut时间即可