ZooKeeper实现生产-消费者队列

生产-消费者队列，用于多节点的分布式数据结构，生产和消费数据。生产者创建一个数据对象，并放到队列中；消费者从队列中取出一个数据对象并进行处理。在ZooKeeper中，队列可以使用一个容器节点下创建多个子节点来实现；创建子节点时，CreateMode使用 PERSISTENT_SEQUENTIAL，ZooKeeper会自动在节点名称后面添加唯一序列号。EPHEMERAL_SEQUENTIAL也有同样的特点，区别在于会话结束后是否会自动删除。

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敲小黑板：*_SEQUENTIAL是ZooKeeper的一个很重要的特性，分布式锁、选举制度都依靠这个特性实现的。

1      对前续代码的重构

之前的文章，我们已经用实现了Watcher和Barrier，创建ZooKeeper连接的代码已经复制了一遍。后续还需要类似的工作，因此先对原有代码做一下重构，让代码味道干净一点。

以下是 process(WatchedEvent)的代码

final public void process(WatchedEvent event) {

  if (Event.EventType.None.equals(event.getType())) {

    // 连接状态发生变化

    if (Event.KeeperState.SyncConnected.equals(event.getState())) {

      // 连接建立成功

      connectedSemaphore.countDown();

    }

  } else if (Event.EventType.NodeCreated.equals(event.getType())) {

    processNodeCreated(event);

  } else if (Event.EventType.NodeDeleted.equals(event.getType())) {

    processNodeDeleted(event);

  } else if (Event.EventType.NodeDataChanged.equals(event.getType())) {

    processNodeDataChanged(event);

  } else if (Event.EventType.NodeChildrenChanged.equals(event.getType())) {

    processNodeChildrenChanged(event);

  }

}

以ZooKeeperBarrier为例，看看重构之后的构造函数和监听Event的代码

ZooKeeperBarrier(String address, String tableSerial, int tableCapacity, String customerName)

    throws IOException {

  super(address);

  this.tableSerial = createRootNode(tableSerial);

  this.tableCapacity = tableCapacity;

  this.customerName = customerName;

}

protected void processNodeChildrenChanged(WatchedEvent event) {

  log.info("{} 接收到了通知 : {}", customerName, event.getType());

  // 子节点有变化

  synchronized (mutex) {

    mutex.notify();

  }

}

2 队列的生产者

生产者的关键代码

String elementName = queueName + "/element";
ArrayList ids = ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE;
CreateMode createMode = CreateMode.PERSISTENT_SEQUENTIAL;
getZooKeeper().create(elementName, value, ids, createMode);

注意，重点是PERSISTENT_SEQUENTIAL，PERSISTENT是表示永久存储直到有命令删除，SEQUENTIAL表示自动在后面添加自增的唯一序列号。这样，尽管elementName都一样，但实际生成的zNode名字在 “element”后面会添加格式为%010d的10个数字，如0000000001。如一个完整的zNode名可能为/queue/element0000000021。

3 队列的消费者

消费者尝试从子节点列表获取zNode名最小的一个子节点，如果队列为空则等待NodeChildrenChanged事件。关键代码

/** 队列的同步信号 */

private static Integer queueMutex = Integer.valueOf(1);

@Override

protected void processNodeChildrenChanged(WatchedEvent event) {

  synchronized (queueMutex) {

    queueMutex.notify();

  }

}

/**

 * 从队列中删除第一个对象

 *

 * @return

 * @throws KeeperException

 * @throws InterruptedException

 */

int consume() throws KeeperException, InterruptedException {

  while (true) {

    synchronized (queueMutex) {

      List list = getZooKeeper().getChildren(queueName, true);

      if (list.size() == 0) {

        queueMutex.wait();

      } else {

        // 获取第一个子节点的名称

        String firstNodeName = getFirstElementName(list);

        // 删除节点，并返回节点的值

        return deleteNodeAndReturnValue(firstNodeName);

      }

    }

  }

}

4 测试日志

把测试结果放源码前面，免得大家被无聊的代码晃晕。

测试代码创建了两个线程，一个线程是生产者，按随机间隔往队列中添加对象；一个线程是消费者，随机间隔尝试从队列中取出第一个，如果当时队列为空，会等到直到新的数据。

两个进程都加上随机间隔，是为了模拟生产可能比消费更快的情况。以下是测试日志，为了更突出，生产和消费的日志我增加了不同的文字样式。

49:47.866 [INFO] ZooKeeperQueueTest.testQueue(29) 开始ZooKeeper队列测试，本次将测试 10 个数据

49:48.076 [DEBUG] ZooKeeperQueue.log(201)

+ Profiler [tech.codestory.zookeeper.queue.ZooKeeperQueue 连接到ZooKeeper]

|-- elapsed time                   [开始链接]   119.863 milliseconds.

|-- elapsed time           [等待连接成功的Event]    40.039 milliseconds.

|-- Total        [tech.codestory.zookeeper.queue.ZooKeeperQueue 连接到ZooKeeper]   159.911 milliseconds.

49:48.082 [DEBUG] ZooKeeperQueue.log(201)

+ Profiler [tech.codestory.zookeeper.queue.ZooKeeperQueue 连接到ZooKeeper]

|-- elapsed time                   [开始链接]   103.795 milliseconds.

|-- elapsed time           [等待连接成功的Event]    65.899 milliseconds.

|-- Total        [tech.codestory.zookeeper.queue.ZooKeeperQueue 连接到ZooKeeper]   170.263 milliseconds.

49:48.102 [INFO] ZooKeeperQueueTest.run(51) 生产对象 : 1 , 然后等待 1700 毫秒

49:48.134 [INFO] ZooKeeperQueueTest.run(80) 消费对象: 1 , 然后等待 4000 毫秒

49:49.814 [INFO] ZooKeeperQueueTest.run(51) 生产对象 : 2 , 然后等待 900 毫秒

49:50.717 [INFO] ZooKeeperQueueTest.run(51) 生产对象 : 3 , 然后等待 1300 毫秒

49:52.020 [INFO] ZooKeeperQueueTest.run(51) 生产对象 : 4 , 然后等待 3700 毫秒

49:52.139 [INFO] ZooKeeperQueueTest.run(80) 消费对象: 2 , 然后等待 2800 毫秒

49:54.947 [INFO] ZooKeeperQueueTest.run(80) 消费对象: 3 , 然后等待 4500 毫秒

49:55.724 [INFO] ZooKeeperQueueTest.run(51) 生产对象 : 5 , 然后等待 3500 毫秒

49:59.228 [INFO] ZooKeeperQueueTest.run(51) 生产对象 : 6 , 然后等待 4200 毫秒

49:59.454 [INFO] ZooKeeperQueueTest.run(80) 消费对象: 4 , 然后等待 2400 毫秒

50:01.870 [INFO] ZooKeeperQueueTest.run(80) 消费对象: 5 , 然后等待 4900 毫秒

50:03.435 [INFO] ZooKeeperQueueTest.run(51) 生产对象 : 7 , 然后等待 4500 毫秒

50:06.776 [INFO] ZooKeeperQueueTest.run(80) 消费对象: 6 , 然后等待 3600 毫秒

50:07.938 [INFO] ZooKeeperQueueTest.run(51) 生产对象 : 8 , 然后等待 1900 毫秒

50:09.846 [INFO] ZooKeeperQueueTest.run(51) 生产对象 : 9 , 然后等待 3200 毫秒

50:10.388 [INFO] ZooKeeperQueueTest.run(80) 消费对象: 7 , 然后等待 2900 毫秒

50:13.051 [INFO] ZooKeeperQueueTest.run(51) 生产对象 : 10 , 然后等待 4900 毫秒

50:13.294 [INFO] ZooKeeperQueueTest.run(80) 消费对象: 8 , 然后等待 300 毫秒

50:13.600 [INFO] ZooKeeperQueueTest.run(80) 消费对象: 9 , 然后等待 4800 毫秒

50:18.407 [INFO] ZooKeeperQueueTest.run(80) 消费对象: 10 , 然后等待 2400 毫秒