基于 etcd 实现分布式锁

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徐亚松
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    11

    概述

    在传统单体应用单机部署的情况下，可以使用Java并发处理相关的API(如ReentrantLock或Synchronized)进行互斥控制。在单机环境中，Java中提供了很多并发处理相关的API。但是，随着业务发展的需要，原单体单机部署的系统被演化成分布式集群系统后，由于分布式系统多线程、多进程并且分布在不同机器上，这将使原单机部署情况下的并发控制锁策略失效，单纯的Java API并不能提供分布式锁的能力。为了解决这个问题就需要一种跨JVM的互斥机制来控制共享资源的访问，这就是分布式锁要解决的问题！

    锁是在执行多线程时用于强行限制资源访问的同步机制，在单机系统上，可以使用Java并发处理相关的API(如ReentrantLock或Synchronized)进行互斥控制。而在分布式系统场景下，实例会运行在多台机器上，为了使多进程（多实例上）对共享资源的读写同步，保证数据的最终一致性，引入了分布式锁。

    分布式锁应具备以下特点：

    • 互斥性：在任意时刻，只有一个客户端（进程）能持有锁
    • 安全性：避免死锁情况，当一个客户端在持有锁期间内，由于意外崩溃而导致锁未能主动解锁，其持有的锁也能够被正确释放，并保证后续其它客户端也能加锁
    • 可用性：分布式锁需要有一定的高可用能力，当提供锁的服务节点故障（宕机）时不影响服务运行，避免单点风险，如Redis的集群模式、哨兵模式，ETCD/zookeeper的集群选主能力等保证HA，保证自身持有的数据与故障节点一致。
    • 对称性：对同一个锁，加锁和解锁必须是同一个进程，即不能把其他进程持有的锁给释放了，这又称为锁的可重入性。

    分布式锁常见实现方式：

    1. 通过数据库方式实现：采用乐观锁、悲观锁或者基于主键唯一约束实现
    2. 基于分布式缓存实现的锁服务： Redis 和基于 Redis 的 RedLock（Redisson提供了参考实现）
    3. 基于分布式一致性算法实现的锁服务：ZooKeeper、Chubby（google闭源实现）和 Etcd

    网上常见的是基于Redis和ZooKeeper的实现，基于数据库的因为实现繁琐且性能较差，不想维护第三方中间件的可以考虑。本文主要描述基于 ETCD 的实现，etcd3 的client也给出了新的 api，使用上更为简单

    基于 Redis 的实现

    既然是锁，核心操作无外乎加锁、解锁。

    Redis的加锁操作：

    SET lock_name my_random_value NX PX 30000
    • lock_name，锁的名称，对于 Redis 而言，lock_name 就是 Key-Value 中的 Key，具有唯一性。
    • random_value，由客户端生成的一个随机字符串，它要保证在足够长的一段时间内，且在所有客户端的所有获取锁的请求中都是唯一的，用于唯一标识锁的持有者。
    • NX 只有当 lock_name(key) 不存在的时候才能 SET 成功，从而保证只有一个客户端能获得锁，而其它客户端在锁被释放之前都无法获得锁。
    • PX 30000 表示这个锁节点有一个 30 秒的自动过期时间（目的是为了防止持有锁的客户端故障后，无法主动释放锁而导致死锁，因此要求锁的持有者必须在过期时间之内执行完相关操作并释放锁）。

    Redis的解锁操作：

    del lock_name
    • 在加锁时为锁设置过期时间，当过期时间到达，Redis 会自动删除对应的 Key-Value，从而避免死锁。注意，这个过期时间需要结合具体业务综合评估设置，以保证锁的持有者能够在过期时间之内执行完相关操作并释放锁。
    • 正常执行完毕，未到达锁过期时间，通过del lock_name主动释放锁。

    基于 ETCD的分布式锁

    机制

    etcd 支持以下功能，正是依赖这些功能来实现分布式锁的：

    • Lease 机制：即租约机制（TTL，Time To Live），Etcd 可以为存储的 KV 对设置租约，当租约到期，KV 将失效删除；同时也支持续约，即 KeepAlive。
    • Revision 机制：每个 key 带有一个 Revision 属性值，etcd 每进行一次事务对应的全局 Revision 值都会加一，因此每个 key 对应的 Revision 属性值都是全局唯一的。通过比较 Revision 的大小就可以知道进行写操作的顺序。
    • 在实现分布式锁时，多个程序同时抢锁，根据 Revision 值大小依次获得锁，可以避免 “羊群效应” （也称 “惊群效应”），实现公平锁。
    • Prefix 机制：即前缀机制，也称目录机制。可以根据前缀（目录）获取该目录下所有的 key 及对应的属性（包括 key, value 以及 revision 等）。
    • Watch 机制：即监听机制，Watch 机制支持 Watch 某个固定的 key，也支持 Watch 一个目录（前缀机制），当被 Watch 的 key 或目录发生变化，客户端将收到通知。

    过程

    实现过程：

    • 步骤 1: 准备

    客户端连接 Etcd，以 /lock/mylock 为前缀创建全局唯一的 key，假设第一个客户端对应的 key="/lock/mylock/UUID1"，第二个为 key="/lock/mylock/UUID2"；客户端分别为自己的 key 创建租约 - Lease，租约的长度根据业务耗时确定，假设为 15s；

    • 步骤 2: 创建定时任务作为租约的“心跳”

    当一个客户端持有锁期间，其它客户端只能等待，为了避免等待期间租约失效，客户端需创建一个定时任务作为“心跳”进行续约。此外，如果持有锁期间客户端崩溃，心跳停止，key 将因租约到期而被删除，从而锁释放，避免死锁。

    • 步骤 3: 客户端将自己全局唯一的 key 写入 Etcd

    进行 put 操作，将步骤 1 中创建的 key 绑定租约写入 Etcd，根据 Etcd 的 Revision 机制，假设两个客户端 put 操作返回的 Revision 分别为 1、2，客户端需记录 Revision 用以接下来判断自己是否获得锁。

    • 步骤 4: 客户端判断是否获得锁

    客户端以前缀 /lock/mylock 读取 keyValue 列表（keyValue 中带有 key 对应的 Revision），判断自己 key 的 Revision 是否为当前列表中最小的，如果是则认为获得锁；否则监听列表中前一个 Revision 比自己小的 key 的删除事件，一旦监听到删除事件或者因租约失效而删除的事件，则自己获得锁。

    • 步骤 5: 执行业务

    获得锁后，操作共享资源，执行业务代码。

    • 步骤 6: 释放锁

    完成业务流程后，删除对应的key释放锁。

    实现

    自带的 etcdctl 可以模拟锁的使用：

    
// 第一个终端
$ ./etcdctl lock mutex1
mutex1/326963a02758b52d
​
// 第二终端
$ ./etcdctl lock mutex1
​
// 当第一个终端结束了，第二个终端会显示
mutex1/326963a02758b531

    在etcd的clientv3包中，实现了分布式锁。使用起来和mutex是类似的，为了了解其中的工作机制，这里简要的做一下总结。

    etcd分布式锁的实现在go.etcd.io/etcd/clientv3/concurrency包中，主要提供了以下几个方法：

    * func NewMutex(s *Session, pfx string) *Mutex， 用来新建一个mutex
* func (m *Mutex) Lock(ctx context.Context) error，它会阻塞直到拿到了锁，并且支持通过context来取消获取锁。
* func (m *Mutex) Unlock(ctx context.Context) error，解锁

    因此在使用etcd提供的分布式锁式非常简单，通常就是实例化一个mutex，然后尝试抢占锁，之后进行业务处理，最后解锁即可。

    demo：

    package main

import (  
    "context"
    "fmt"
    "github.com/coreos/etcd/clientv3"
    "github.com/coreos/etcd/clientv3/concurrency"
    "log"
    "os"
    "os/signal"
    "time"
)

func main() {  
    c := make(chan os.Signal)
    signal.Notify(c)

    cli, err := clientv3.New(clientv3.Config{
        Endpoints:   []string{"localhost:2379"},
        DialTimeout: 5 * time.Second,
    })
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }
    defer cli.Close()

    lockKey := "/lock"

    go func () {
        session, err := concurrency.NewSession(cli)
        if err != nil {
            log.Fatal(err)
        }
        m := concurrency.NewMutex(session, lockKey)
        if err := m.Lock(context.TODO()); err != nil {
            log.Fatal("go1 get mutex failed " + err.Error())
        }
        fmt.Printf("go1 get mutex sucess\n")
        fmt.Println(m)
        time.Sleep(time.Duration(10) * time.Second)
        m.Unlock(context.TODO())
        fmt.Printf("go1 release lock\n")
    }()

    go func() {
        time.Sleep(time.Duration(2) * time.Second)
        session, err := concurrency.NewSession(cli)
        if err != nil {
            log.Fatal(err)
        }
        m := concurrency.NewMutex(session, lockKey)
        if err := m.Lock(context.TODO()); err != nil {
            log.Fatal("go2 get mutex failed " + err.Error())
        }
        fmt.Printf("go2 get mutex sucess\n")
        fmt.Println(m)
        time.Sleep(time.Duration(2) * time.Second)
        m.Unlock(context.TODO())
        fmt.Printf("go2 release lock\n")
    }()

    <-c
}

    原理

    Lock()函数的实现很简单：

    // Lock locks the mutex with a cancelable context. If the context is canceled
// while trying to acquire the lock, the mutex tries to clean its stale lock entry.
func (m *Mutex) Lock(ctx context.Context) error {
    s := m.s
    client := m.s.Client()

    m.myKey = fmt.Sprintf("%s%x", m.pfx, s.Lease())
    cmp := v3.Compare(v3.CreateRevision(m.myKey), "=", 0)
    // put self in lock waiters via myKey; oldest waiter holds lock
    put := v3.OpPut(m.myKey, "", v3.WithLease(s.Lease()))
    // reuse key in case this session already holds the lock
    get := v3.OpGet(m.myKey)
    // fetch current holder to complete uncontended path with only one RPC
    getOwner := v3.OpGet(m.pfx, v3.WithFirstCreate()...)
    resp, err := client.Txn(ctx).If(cmp).Then(put, getOwner).Else(get, getOwner).Commit()
    if err != nil {
        return err
    }
    m.myRev = resp.Header.Revision
    if !resp.Succeeded {
        m.myRev = resp.Responses[0].GetResponseRange().Kvs[0].CreateRevision
    }
    // if no key on prefix / the minimum rev is key, already hold the lock
    ownerKey := resp.Responses[1].GetResponseRange().Kvs
    if len(ownerKey) == 0 || ownerKey[0].CreateRevision == m.myRev {
        m.hdr = resp.Header
        return nil
    }

    // wait for deletion revisions prior to myKey
    hdr, werr := waitDeletes(ctx, client, m.pfx, m.myRev-1)
    // release lock key if wait failed
    if werr != nil {
        m.Unlock(client.Ctx())
    } else {
        m.hdr = hdr
    }
    return werr
}

    首先通过一个事务来尝试加锁，这个事务主要包含了4个操作: cmp、put、get、getOwner。需要注意的是，key是由pfx和Lease()组成的。

    • cmp: 比较加锁的key的修订版本是否是0。如果是0就代表这个锁不存在。
    • put: 向加锁的key中存储一个空值，这个操作就是一个加锁的操作，但是这把锁是有超时时间的，超时的时间是session的默认时长。超时是为了防止锁没有被正常释放导致死锁。
    • get: get就是通过key来查询
    • getOwner: 注意这里是用m.pfx来查询的，并且带了查询参数WithFirstCreate()。使用pfx来查询是因为其他的session也会用同样的pfx来尝试加锁，并且因为每个LeaseID都不同，所以第一次肯定会put成功。但是只有最早使用这个pfx的session才是持有锁的，所以这个getOwner的含义就是这样的。

    接下来才是通过判断来检查是否持有锁

    m.myRev = resp.Header.Revision
if !resp.Succeeded {
    m.myRev = resp.Responses[0].GetResponseRange().Kvs[0].CreateRevision
}
// if no key on prefix / the minimum rev is key, already hold the lock
ownerKey := resp.Responses[1].GetResponseRange().Kvs
if len(ownerKey) == 0 || ownerKey[0].CreateRevision == m.myRev {
    m.hdr = resp.Header
    return nil
}

    m.myRev是当前的版本号，resp.Succeeded是cmp为true时值为true，否则是false。这里的判断表明当同一个session非第一次尝试加锁，当前的版本号应该取这个key的最新的版本号。

    下面是取得锁的持有者的key。如果当前没有人持有这把锁，那么默认当前会话获得了锁。或者锁持有者的版本号和当前的版本号一致， 那么当前的会话就是锁的持有者。

    // wait for deletion revisions prior to myKey
hdr, werr := waitDeletes(ctx, client, m.pfx, m.myRev-1)
// release lock key if wait failed
if werr != nil {
    m.Unlock(client.Ctx())
} else {
    m.hdr = hdr
}

    上面这段代码就很好理解了，因为走到这里说明没有获取到锁，那么这里等待锁的删除。

    waitDeletes方法的实现也很简单，但是需要注意的是，这里的getOpts只会获取比当前会话版本号更低的key，然后去监控最新的key的删除。等这个key删除了，自己也就拿到锁了。

    这种分布式锁的实现和我一开始的预想是不同的。它不存在锁的竞争，不存在重复的尝试加锁的操作。而是通过使用统一的前缀pfx来put，然后根据各自的版本号来排队获取锁。效率非常的高。避免了惊群效应


    如图所示，共有4个session来加锁，那么根据revision来排队，获取锁的顺序为session2 -> session3 -> session1 -> session4。

    这里面需要注意一个惊群效应，每一个client在锁住/lock这个path的时候，实际都已经插入了自己的数据，类似/lock/LEASE_ID，并且返回了各自的index（就是raft算法里面的日志索引），而只有最小的才算是拿到了锁，其他的client需要watch等待。例如client1拿到了锁，client2和client3在等待，而client2拿到的index比client3的更小，那么对于client1删除锁之后，client3其实并不关心，并不需要去watch。所以综上，等待的节点只需要watch比自己index小并且差距最小的节点删除事件即可。

    基于 ETCD的选主

    机制

    etcd有多种使用场景，Master选举是其中一种。说起Master选举，过去常常使用zookeeper，通过创建EPHEMERAL_SEQUENTIAL节点（临时有序节点），我们选择序号最小的节点作为Master，逻辑直观，实现简单是其优势，但是要实现一个高健壮性的选举并不简单，同时zookeeper繁杂的扩缩容机制也是沉重的负担。

    master 选举根本上也是抢锁，与zookeeper直观选举逻辑相比，etcd的选举则需要在我们熟悉它的一系列基本概念后，调动我们充分的想象力：

    • 1、MVCC，key存在版本属性，没被创建时版本号为0；
    • 2、CAS操作，结合MVCC，可以实现竞选逻辑，if(version == 0) set(key,value),通过原子操作，确保只有一台机器能set成功；
    • 3、Lease租约，可以对key绑定一个租约，租约到期时没预约，这个key就会被回收；
    • 4、Watch监听，监听key的变化事件，如果key被删除，则重新发起竞选。

      至此，etcd选举的逻辑大体清晰了，但这一系列操作与zookeeper相比复杂很多，有没有已经封装好的库可以直接拿来用？etcd clientv3 concurrency中有对选举及分布式锁的封装。后面进一步发现，etcdctl v3里已经有master选举的实现了，下面针对这部分代码进行简单注释，在最后参考这部分代码实现自己的选举逻辑。

    实现

    官方示例：https://github.com/etcd-io/et...

    如crontab 示例：

    package main

import (
    "context"
    "fmt"
    "go.etcd.io/etcd/clientv3"
    "go.etcd.io/etcd/clientv3/concurrency"
    "log"
    "time"
)

const prefix = "/election-demo"
const prop = "local"

func main() {
    endpoints := []string{"szth-cce-devops00.szth.baidu.com:8379"}
    cli, err := clientv3.New(clientv3.Config{Endpoints: endpoints})
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }
    defer cli.Close()

    campaign(cli, prefix, prop)

}

func campaign(c *clientv3.Client, election string, prop string) {
    for {
        // 租约到期时间：5s
        s, err := concurrency.NewSession(c, concurrency.WithTTL(5))
        if err != nil {
            fmt.Println(err)
            continue
        }
        e := concurrency.NewElection(s, election)
        ctx := context.TODO()

        log.Println("开始竞选")

        err = e.Campaign(ctx, prop)
        if err != nil {
            log.Println("竞选 leader失败，继续")
            switch {
            case err == context.Canceled:
                return
            default:
                continue
            }
        }

        log.Println("获得leader")
        if err := doCrontab(); err != nil {
            log.Println("调用主方法失败，辞去leader，重新竞选")
            _ = e.Resign(ctx)
            continue
        }
        return
    }
}

func doCrontab() error {
    for {
        fmt.Println("doCrontab")
        time.Sleep(time.Second * 4)
        //return fmt.Errorf("sss")
    }
}

    原理

    /*
 * 发起竞选
 * 未当选leader前，会一直阻塞在Campaign调用
 * 当选leader后，等待SIGINT、SIGTERM或session过期而退出
 * https://github.com/etcd-io/etcd/blob/master/etcdctl/ctlv3/command/elect_command.go
 */
 
func campaign(c *clientv3.Client, election string, prop string) error {
        //NewSession函数中创建了一个lease，默认是60s TTL，并会调用KeepAlive，永久为这个lease自动续约（2/3生命周期的时候执行续约操作）
    s, err := concurrency.NewSession(c)
    if err != nil {
        return err
    }
    e := concurrency.NewElection(s, election)
    ctx, cancel := context.WithCancel(context.TODO())

    donec := make(chan struct{})
    sigc := make(chan os.Signal, 1)
    signal.Notify(sigc, syscall.SIGINT, syscall.SIGTERM)
    go func() {
        <-sigc
        cancel()
        close(donec)
    }()

    //竞选逻辑，将展开分析
    if err = e.Campaign(ctx, prop); err != nil {
        return err
    }

    // print key since elected
    resp, err := c.Get(ctx, e.Key())
    if err != nil {
        return err
    }
    display.Get(*resp)

    select {
    case <-donec:
    case <-s.Done():
        return errors.New("elect: session expired")
    }

    return e.Resign(context.TODO())
}

/*
 * 类似于zookeeper的临时有序节点，etcd的选举也是在相应的prefix path下面创建key，该key绑定了lease并根据lease id进行命名，
 * key创建后就有revision号，这样使得在prefix path下的key也都是按revision有序
 * https://github.com/etcd-io/etcd/blob/master/clientv3/concurrency/election.go
 */
 
func (e *Election) Campaign(ctx context.Context, val string) error {
    s := e.session
    client := e.session.Client()
    
    //真正创建的key名为：prefix + lease id
    k := fmt.Sprintf("%s%x", e.keyPrefix, s.Lease())
    //Txn：transaction，依靠Txn进行创建key的CAS操作，当key不存在时才会成功创建
    txn := client.Txn(ctx).If(v3.Compare(v3.CreateRevision(k), "=", 0))
    txn = txn.Then(v3.OpPut(k, val, v3.WithLease(s.Lease())))
    txn = txn.Else(v3.OpGet(k))
    resp, err := txn.Commit()
    if err != nil {
        return err
    }
    e.leaderKey, e.leaderRev, e.leaderSession = k, resp.Header.Revision, s
    //如果key已存在，则创建失败；
        //当key的value与当前value不等时，如果自己为leader，则不用重新执行选举直接设置value；
        //否则报错。
    if !resp.Succeeded {
        kv := resp.Responses[0].GetResponseRange().Kvs[0]
        e.leaderRev = kv.CreateRevision
        if string(kv.Value) != val {
            if err = e.Proclaim(ctx, val); err != nil {
                e.Resign(ctx)
                return err
            }
        }
    }
    
    //一直阻塞，直到确认自己的create revision为当前path中最小，从而确认自己当选为leader
    _, err = waitDeletes(ctx, client, e.keyPrefix, e.leaderRev-1)
    if err != nil {
        // clean up in case of context cancel
        select {
        case <-ctx.Done():
            e.Resign(client.Ctx())
        default:
            e.leaderSession = nil
        }
        return err
    }
    e.hdr = resp.Header

    return nil
}

    锁基础：

    https://tech.meituan.com/2018...

    Reference

    etcdkubernetes
    徐亚松
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