zookeeper实现分布式锁安全用法

背景
ConnectionLoss 链接丢失
SessionExpired 会话过期
绕开 zookeeper broker 进行状态通知
leader 选举与zkNode 断开
做好幂等
静态扩容、动态扩容

背景

分布式锁现在用的越来越多，通常用来协调多个并发任务。在一般的应用场景中存在一定的不安全用法，不安全用法会带来多个master在并行执行，业务或数据可能存在重复计算带来的副作用，在没有拿到lock的情况下扮演者master等诸如此类。

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要想准确的拿到分布式锁，并且准确的捕获在分布式情况下锁的动态转移状态，需要处理网络变化带来的连锁反应。比如常见的 session expire、connectionLoss，在设置lock状态的时候我们如何保证准确拿到lock。

在设计任务的时候我们需要具有 stop point 的策略，这个策略是用来在感知到lock丢失后能够交付执行权的机制。但是是否需要这么严肃的处理这个问题还取决于业务场景，比如下游的任务已经做好幂等也无所谓重复计算。但是在有些情况下确实需要严肃精准控制。

ConnectionLoss 链接丢失

先说第一个场景，connectionLoss事件，此事件表示提交的commit有可能执行成功也有可能执行失败，成功是指在zookeeper broker 中执行成功但是返回的时候tcp断开了，导致未能拿到返回的状态。失败是指根本就没有提交到zookeper broker中链接就断开了。

所以在我们获取lock的时候需要做 connectionLoss 事件处理，我们看个例子。

protected void runForMaster() {

        logger.info("master:run for master.");

        AsyncCallback.StringCallback createCallback =
                (rc, path, ctx, name) -> {
                    switch (KeeperException.Code.get(rc)) {
                        case CONNECTIONLOSS:
                            checkMaster();//链接失效检查znode设置是否成功
                            return;
                        case OK:
                            isLeader = true;
                            logger.info("master:I'm the leader serverId:" + serverId);
                            addMasterWatcher();//监控 master znode
                            this.takeLeadership();//执行leader权利
                            break;
                        case NODEEXISTS:
                            isLeader = false;
                            String serverId = this.getMasterServerId();
                            this.takeBackup(serverId);
                            break;

                    }
                };

        zk.create(rootPath + "/master", serverId.getBytes(), ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE,
                CreateMode.EPHEMERAL, createCallback, null);//创建master节点
    }

    /**
     * check master 循环检查
     */
    private void checkMaster() {

        AsyncCallback.DataCallback masterCheckCallback =
                (rc, path, ctx, data[], stat) -> {
                    switch (KeeperException.Code.get(rc)) {
                        case CONNECTIONLOSS:
                            checkMaster();
                            return;
                        case NONODE:
                            runForMaster();
                            return;
                        default: {
                            String serverId = this.getMasterServerId();
                            isLeader = serverId.equals(this.serverId);
                            if (BooleanUtils.isNotTrue(isLeader)) {
                                this.takeBackup(serverId);
                            } else {
                                this.takeLeadership();
                            }
                        }

                        return;
                    }
                };

        zk.getData(masterZnode, false, masterCheckCallback, null);
    }

这里的master表示具有执行权，只有成功拿到master 角色才能履行master权利。

runForMaster 方法一旦发现有connectionLoss就发起checkMaster进行检查，同时checkMaster方法中也进行connectinLoss检查，直到拿到明确的状态为止。在此时有可能有另外的节点获取到了master角色，那么当前节点就做好backup等待机会。

我们需要捕获zookeeper所有的状态变化，要知道master什么时候失效做好申请准备，当自己是master时候会话失效需要释放master权利。

/**
     * 监控 master znode 做 master/slave 切换
     */
    private void addMasterWatcher() {

        AsyncCallback.StatCallback addMasterWatcher = (rc, path, ctx, stat) -> {
            switch (KeeperException.Code.get(rc)) {
                case CONNECTIONLOSS:
                    addMasterWatcher();
                    break;
                case OK:
                    if (stat == null) {
                        runForMaster();//master 已经不存在
                    } else {
                        logger.info("master:watcher master znode ok.");
                    }
                    break;
                case NONODE:
                    logger.info("master:master znode delete.");
                    runForMaster();
                    break;
            }
        };

        zk.exists(masterZnode, MasterExistsWatcher, addMasterWatcher, null);
    }

通过zookeeper watcher 机制来进行状态监听，保持与网络、zookeeper状态变化联动。

SessionExpired 会话过期

我们在来看第二个问题，第一个问题是获取lock的时候如何保证一定可以准确拿到状态，这里状态是指master角色或者backup角色。

当我们成功与zookeeper broker建立链接，成功获取到master角色并且正在履行master义务时突然zookeeper通知session过期，SessionExpired事件表示zookeeper将会删除所有当前会话创建的临时znode，也就意味这master znode将会被其他会话创建。

此时我们需要将自己的master 权利交出去，也就是我们必须放下目前手上执行的任务，这个停止的状态必须能够反应到全局。此时最容易出现到问题就是，我们已经不是master了但是还在偷偷到执行master权利，通过dashboard会看到很奇怪的问题，不是master的服务器还在执行。

case SESSIONEXPIRED:
    //执行 stop point 通知
    this.stopPoint();
    break;

所以这里需要我们在设计任务时有stop point 策略，类似jvm的safe point，随时响应全局停止。

绕开 zookeeper broker 进行状态通知

还有一种常见的使用方式是绕开zookeeper 来做状态通知。

我们都知道zookeeper cluster 是由多台实例组成，每个实例都在全国甚至全球的不同地方，leader到这些节点之间都有很大的同步延迟差异，zookeeper内部采用法定人数的两阶段提交的方式来完成一次commit。

比如有7个实例构成一套zookeeper cluster ，当一次client 写入 commit只需要集群中有超过半数完成写入就算这次commit提交成功了。但是cleint得到这个提交成功的响应之后立马执行接下来的任务，这个任务可能是读取某个znode下的所有状态数据，此时有可能无法读取到这个状态。

如果是分布式锁的话很有可能是锁在zk集群中的转移无法和client集群保持一直。所以只要是基于zookeeper做集群调度就要完全原来zookeeper来做状态通知，不可以绕开zookeeper来自行调度。

leader 选举与zkNode 断开

zookeeper leader 是所有状态变更的串行化器，add、update、delete都需要leader来处理，然后传播给所有follower、observer节点。

所有的session是保存在leader中的，所有的watcher是保存在client链接的zookeper node中的，这里两个场景都会导致状态迁移的通知不准时。

如果zookeeper是由多数据中心构成的一套集群，存在异地同步延迟的问题，leader是肯定会放在写入的数据中心中，同时zid应该是最大的，甚至是一组高zid的机器都在写入的数据中心中，这样保证leader宕机也不会轻易导致leader选举到其他数据中心。

但是follower、observer都会有client在使用，也会有在这些节点进行协调的分布式集群。

先说leader选举导致异地节点延迟感知问题，比如当前 zookeeper cluster 有7台机器构成：

dataCenter shanghai：zid=100、zid=80、zid=50
dataCenter beijing： zid=10、zid=20
dataCenter shenzhen：zid=30、zid=40

由于网络问题集群发生leader选举，zid=100暂时脱离集群，zid=80成为leader，这里不考虑日志新旧问题，优先使用zid进行选举。

由于集群中所有的session是保存在原来zid=100的机器中的，新leader没有任何session信息，所以将导致所有session丢失。

session的保持时间是取决于我们设置的sessinoTimeout时间来的，client通过ping来将心跳传播到所链接的zkNode，这个zkNode可能是任意角色的node，然后zkNode在与zkleaderNode进行心跳来保持会话，同时zkNode也会通过ping来保持会话超时时间。

此时当原有当client在重新链接上zkNode时会被告知sessionExpired。sessionExpired 是由zkNode通知出来的，当会话丢失或者过期，client在去尝试链接zkNode时候会被zkNode告知会话过期。

如果client只捕获了sessionExpired显然会出现多个master运行情况，因为当你与zkNode断开到时候，当时还没有收到sessionExpired事件时，已经有另外client成功创建master拿到权利。

这种情况在zkNode出现脱离集群当时候也会出现，当zkNode断开之后也会出现sessionExpired延迟通知问题。所有的watcher都是需要在新的zkNode上创建才会收到新的事件。

静态扩容、动态扩容

在极端情况下静态扩容可能会导致zookeeper集群出现严重的数据不一致问题，比如现有集群：A、B、C，现在需要进行静态扩容，停止ABC实例，拉入DE实例，此时如果C实例是ABC中最滞后的实例，如果AB启动的速度没有C快就会导致CDE组成新的集群，新的纪元号会覆盖原来的AB日志。当然现在基本上不会接受静态扩容，基本上都是动态扩容。

动态扩容在极端情况下也会出现类似问题，比如现在有三个机房，1、2、3，1机房方leader zid=200、100，2机房zid=80、50，3机房zid=40，假设上次的commit是在zid=200、100、50之间提交的，此时机房1出现断网，2机房zid=80、50与3机房zid=40开始组成新的集群，新的纪元在zid=50上产生。

做好幂等

在使用zookeeper来实现分布式锁或者集群调度的时候会出现很多分布式下的问题，为了保证这些问题的出现不会带来业务系统或者业务数据的不一致，我们还是在这些任务上做好幂等性考虑。

比如进行数据的计算，做个时间检查，版本检查之类的。如果本身是基于zookeeper实现的一套独立的分布式系统需要的工作会更多点。

作者：王清培 （沪江集团资深架构师）

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