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读写锁：使用场景和实现方案（ZooKeeper 实现）

2016-03-01

0.概要

锁，分为「互斥锁」和「共享锁」：

互斥锁，保证了资源的串行有序访问，但，系统并发性能较低，在「高频读-低频写」的场景中，一般采用「读写锁」方案，ReadWriteLock，支持共享读操作。

下文从几个方面展开：

  1. 读写锁的特性
  2. ZooKeeper 中，读写锁的实现
  3. 实践建议

1.读写锁的特性

「读-写锁」，业务上，要满足「读共享、写互斥」即可，实际场景中，需要考虑多种策略，他们都会影响最终「读写锁」的性能：

  1. 释放优先：当一个操作「释放写锁」时，并且队列中同时存在读线程和写线程时，那么是读线程优先获得锁，还是写线程，或者说是最先发出请求的线程
  2. 读线程插队：如果当读线程「持有读锁」时，有写线程在等待，那么新到达的读线程能否立即获得访问权，还是应该在写线程后面等待？
    • 如果允许读线程插队到线程前面，那么将提高并发性，但却可能造成写线程发生饥饿问题。
  3. 重入性：读锁、写锁是否允许重入。
  4. 降级：如果一个线程「持有写锁」，那么它能否在不释放锁的情况下「降级成读锁」？
  5. 升级：「持有读锁」的线程能否优于其他正在等待的读线程和写线程而「升级成写锁」？
    • 在大多数的「读-写锁」实现中，并不支持升级，因为很容易造成死锁（如果两个读线程同时升级为写锁，那么二者都不会释放读取锁）

读写锁的含义：

  1. 写锁：互斥，同一时刻，只有一个进程，持有写锁
  2. 读锁：共享，同一时刻，可以多个进程，持有读锁
  3. 组合：
    1. 读锁：所有的「写锁」都失效时，可以「加读锁」，读锁共享
    2. 写锁：所有的「读锁」和「写锁」都失效时，可以「加写锁」，写锁互斥，跟所有的读写动作都互斥

2.ZooKeeper 中，读写锁的实现

ZooKeeper 的读写锁，本质是：

  1. 生成 2 类锁：一个读锁（共享）、一个写锁（互斥）
  2. 同一个目录下，创建「临时顺序节点」，前缀不同，共享自增序号

补充信息：

  1. 创建 /zookeeperLock/sharedLock/ip-type-id 的「临时顺序节点」，来代表读写锁。
  2. 其中type有 2 种枚举值：
    1. R：读锁（共享）
    2. W：写锁（互斥）
  3. 获取「读锁」，会在ZooKeeper 上，创建类似节点：/sharedLock/10.0.10.1-R-0000000001。
  4. 获取「写锁」，会在ZooKeeper 上，创建类似节点：/sharedLock/10.0.10.1-W-0000000002。

具体 ZooKeeper 内部，采用 InterProcessReadWriteLock 实现共享的读写锁，具体过程：

  1. 创建「临时顺序节点」：根据需要获取的锁，创建对应的「读」或者「写」对应的「临时顺序节点」
  2. 获取「临时顺序节点」的全量列表
  3. 获取「读锁」或者「写锁」，业务逻辑判断：
    1. 读锁：所有前驱节点中，没有「W 类型」节点存在，则，获取 R 读锁成功；
    2. 写锁：所有前驱节点，都不存在，则，获取 W 写锁成功；即，当前节点的「序号最小」，则，获取 W 写锁成功；
  4. 获取「读锁」或者「写锁」失败，则，监听「当前路径」的「子节点列表变更」，进入等待锁状态。Note：为了避免「羊群效应」，可以只监听「前驱节点」。

Note：

从上述处理逻辑中，可以看出，InterProcessReadWriteLock 是「公平锁」。

具体 ZooKeeper 命令，使用示例：

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] ls /
[zookeeper, zk_test]
​
# 1. 创建「临时顺序节点」
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 2] create -s -e /zk_test/P-W- hello
Created /zk_test/P-W-0000000000
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 3] create -s -e /zk_test/P-W- hello
Created /zk_test/P-W-0000000001
​
# 2. 创建「临时顺序节点」，前缀不同
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 5] create -s -e /zk_test/P-R- hello
Created /zk_test/P-R-0000000002
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 6] create -s -e /zk_test/P-R- hello
Created /zk_test/P-R-0000000003
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 7] create -s -e /zk_test/P-R- hello
Created /zk_test/P-R-0000000004
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 8] create -s -e /zk_test/P-R- hello
Created /zk_test/P-R-0000000005
​
# 3. 查看「临时顺序节点」
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 9] ls /zk_test
[P-R-0000000002, P-W-0000000000, P-R-0000000003, P-W-0000000001, P-R-0000000004, P-R-0000000005]
​
# 4. 查询「临时顺序节点」所属的 Session：ephemeralOwner 对应为 session 的 ID
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 10] get /zk_test/P-W-0000000000
hello
cZxid = 0x8
ctime = Wed Feb 27 15:38:11 CST 2019
mZxid = 0x8
mtime = Wed Feb 27 15:38:11 CST 2019
pZxid = 0x8
cversion = 0
dataVersion = 0
aclVersion = 0
ephemeralOwner = 0x1692ddeb5fb0002
dataLength = 5
numChildren = 0
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 11] get /zk_test/P-W-0000000001
hello
cZxid = 0x9
ctime = Wed Feb 27 15:38:17 CST 2019
mZxid = 0x9
mtime = Wed Feb 27 15:38:17 CST 2019
pZxid = 0x9
cversion = 0
dataVersion = 0
aclVersion = 0
ephemeralOwner = 0x1692ddeb5fb0002
dataLength = 6
numChildren = 0

3.实践建议

与「互斥锁」相比，「读-写锁」允许对共享数据，进行更高的并发访问。

虽然一次只有一个线程（writer 线程）可以修改共享数据，但在许多情况下，任何数量的线程可以同时读取共享数据（reader 线程），读-写锁利用了这一点。

实践中：

在实践中，「读-写锁」只有在多处理器上，高频读 + 低频写 场景下，才能提高性能。

而在其他情况下，「读-写锁」的性能却比「独占锁」的性能要差一点，这是因为「读-写锁」的复杂性更高。

所以，要对程序进行分析，判断「读-写锁」是否能提高性能，特别是，大多数场景下，高频读的场景，可依赖读取缓存，提升并发能力。

4.参考资料

  1. 读写锁ReadWriteLock
  2. ZooKeeper典型应用——分布式锁

原文地址：https://ningg.top/zookeeper-lesson-13-read-write-lock-zk-impl/
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