面试题：Java线程安全设计模式在分布式系统中的拓展应用

Question

在分布式系统中，如何基于Java线程安全设计模式（如双重检查锁定模式），设计一个跨节点的单例服务，需要考虑网络延迟、节点故障等问题，并说明实现过程中可能遇到的挑战以及相应的解决方案。

Answer 1

基于Java线程安全设计模式实现跨节点单例服务

1. 双重检查锁定模式（DCL）基础

在Java中，经典的双重检查锁定模式实现单例如下：

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

volatile关键字确保了instance变量在多线程环境下的可见性，防止指令重排序导致在未完全初始化时被其他线程获取。

2. 跨节点单例服务设计

在分布式系统中，单纯的Java DCL无法直接实现跨节点单例，需要借助分布式协调工具，如Zookeeper。

实现步骤

1. 利用Zookeeper创建唯一节点：
   • 每个节点启动时，尝试在Zookeeper上创建一个特定路径的节点（如/singleton_service）。
   • Zookeeper的特性保证只有一个节点能成功创建。

   import org.apache.zookeeper.*;
   import org.apache.zookeeper.data.Stat;
   import java.util.concurrent.CountDownLatch;
   
   public class DistributedSingleton {
       private static final String ZK_SERVERS = "localhost:2181";
       private static final String SINGLETON_PATH = "/singleton_service";
       private static DistributedSingleton instance;
       private ZooKeeper zk;
       private CountDownLatch connectedSignal = new CountDownLatch(1);
   
       private DistributedSingleton() {
           try {
               zk = new ZooKeeper(ZK_SERVERS, 5000, new Watcher() {
                   @Override
                   public void process(WatchedEvent event) {
                       if (event.getState() == Watcher.Event.KeeperState.SyncConnected) {
                           connectedSignal.countDown();
                       }
                   }
               });
               connectedSignal.await();
           } catch (Exception e) {
               e.printStackTrace();
           }
       }
   
       public static DistributedSingleton getInstance() {
           if (instance == null) {
               synchronized (DistributedSingleton.class) {
                   if (instance == null) {
                       try {
                           ZooKeeper zk = new ZooKeeper(ZK_SERVERS, 5000, null);
                           Stat stat = zk.exists(SINGLETON_PATH, false);
                           if (stat == null) {
                               zk.create(SINGLETON_PATH, "".getBytes(), ZooDefs.Ids.OPEN_ACL_UNSAFE, CreateMode.EPHEMERAL);
                               instance = new DistributedSingleton();
                           } else {
                               // 等待已创建节点释放（可以通过Watcher监听节点删除事件）
                               // 这里简单等待，实际应用中可优化
                               Thread.sleep(1000);
                               getInstance();
                           }
                       } catch (Exception e) {
                           e.printStackTrace();
                       }
                   }
               }
           }
           return instance;
       }
   }
   

2. 服务实例化：
   • 创建成功的节点对应的服务实例化，其他节点等待该节点释放或获取其服务引用。
   • 可以通过Zookeeper的节点数据存储服务实例的相关信息（如网络地址等），其他节点从该节点数据获取服务连接信息。

3. 实现过程中的挑战及解决方案

网络延迟

• 挑战：网络延迟可能导致Zookeeper创建节点请求响应缓慢，影响单例服务获取速度。
• 解决方案：设置合理的超时时间，在等待Zookeeper响应时避免无限期等待。同时，可以采用异步方式处理Zookeeper操作，减少对主线程的阻塞。

节点故障

• 挑战：持有单例服务的节点故障，可能导致单例服务不可用。
• 解决方案：利用Zookeeper的临时节点特性，当持有单例服务的节点故障时，其创建的临时节点自动删除。其他节点通过Watcher监听该节点删除事件，重新竞争创建单例节点，实现服务的高可用性。