docker 配置本地 etcd 集群并使用 clientapiv3 管理集群

一、用 docker 搭建集群

etcd 没有在 docker hub 中创建 image，所以自然拉取不到。

本文意在模拟使用步骤，所以创建三个 go 环境的容器，在每个容器中配置 etcd。

1 创建 go 容器

hub 中有 golang 镜像，可以直接拉取：

docker pull golang

拉取到的镜像是基于 debian buster 制作。

创建三个容器：

docker run -itd --name etcd1 golang
docker run -itd --name etcd2 golang
docker run -itd --name etcd3 golang

2 在每个镜像中 clone etcd

docker exec -it etcd1 bash
docker exec -it etcd2 bash
docker exec -it etcd3 bash

在每个容器中克隆：

git clone https://github.com/etcd-io/etcd.git

3 编绎 etcd

在每个容器中都需要执行下面的命令。

cd etcd
./build.sh

编绎脚本会拉取一些 golang 库，所以先设置好 goproxy 是非常有必要的。

go env -w GO111MODULE=on
go env -w GOPROXY=https://goproxy.cn,direct

编绎完成后，会多一个 bin 目录，里面有两个可执行文件etcd和etcdctl，分别为服务端和客户端文件，搭建集群，使用的是etcd。

4 写配置文件

etcd 的目录中有一个etcd.conf.yml.sample是示例配置文件，将其复制一份用来作待使用的配置文件：

cp etcd.conf.yml.sample etcd.conf.yml

修改配置文件，下面只列出配置文件中需要修改的部分：

# 节点别名，给人类看的
name: 'infra3'

# 数据文件存放的目录
data-dir: /var/lib/etcd

# 用逗号分隔的 url 列表，用于与其他节点通信
listen-peer-urls: http://172.17.0.4:2380

# 用逗号分隔的 url 列表，用于与客户端通信
listen-client-urls: http://172.17.0.4:2379,http://localhost:2379

# 用逗号分隔的 url 列表，用于通知其他节点，与通信端口相同即可
initial-advertise-peer-urls: http://172.17.0.4:2380

# 用逗号分隔的 url 列表，用于公开通知客户端
advertise-client-urls: http://172.17.0.4:2379

# 初始化集群配置。集群各节点别名与其 url 的键值对列表
initial-cluster: infra1=http://172.17.0.2:2380,infra2=http://172.17.0.3:2380,infra3=http://172.17.0.4:2380

# 初始化集群 token
initial-cluster-token: 'etcd-cluster-1'

5 使用配置文件运行各节点组成集群

在各个容器中分别执行：

bin/etcd --config-file etcd.conf.yml

集群应该已经正常运行了。

二、使用 clientv3 通信

1 客户端

客户端结构体Client需要实现多个接口：

type Client struct {
    Cluster  // Cluster 接口
    KV  // KV 接口
    Lease  // Lease 接口
    Watcher  // Watcher 接口
    Auth  // Auth 接口
    Maintenance  // Maintenance 接口

    conn *grpc.ClientConn

    cfg      Config
    creds    grpccredentials.TransportCredentials
    resolver *resolver.EtcdManualResolver
    mu       *sync.RWMutex

    ctx    context.Context
    cancel context.CancelFunc

    // Username is a user name for authentication.
    Username string
    // Password is a password for authentication.
    Password        string
    authTokenBundle credentials.Bundle

    callOpts []grpc.CallOption

    lgMu *sync.RWMutex
    lg   *zap.Logger
}

这些接口在创建Client时实现：

func newClient(cfg *Config) (*Client, error) {
    ...
    client.Cluster = NewCluster(client)
    client.KV = NewKV(client)
    client.Lease = NewLease(client)
    client.Watcher = NewWatcher(client)
    client.Auth = NewAuth(client)
    client.Maintenance = NewMaintenance(client)
    ...
}

2 写入

写入操作(put)包括创建和更新：key 不存在会创建，key 存在则更新。

Put方法在 KV 接口中声明：

Put(ctx context.Context, key, val string, opts ...OpOption) (*PutResponse, error)

第一个参数是一个上下文，而Client结构体内是有上下文属性的，在调用Put方法时可以直接使用Client的上下文属性，也可以定义一个新的上下文context.TODO()、context.Background()、context.WithCanle()、context.WithTimeout()等，根据实际需要定义上下文。

Client的上下文属性会在client.Close()时取消，而手动创建的上下文需要手动取消。

package main

import (
    "fmt"
    "time"

    clientv3 "go.etcd.io/etcd/client/v3"
)

func main() {
    client, err := clientv3.New(clientv3.Config{
        Endpoints:   []string{"172.17.0.2:2379", "172.17.0.3:2379", "172.17.0.4:2379"},
        DialTimeout: 5 * time.Second,
    })
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    defer client.Close()

    ctx := client.Ctx()
    // ctx, cancel := context.WithCancel(context.Background())

    putResp, err := client.Put(ctx, "test", "test0")
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    fmt.Println("response: ", putResp)
    fmt.Println("created or updated -> key: test, value: test0")
    // cancel()
}

结果：

response:  &{cluster_id:4577776708217222017 member_id:10491173242589593685 revision:22 raft_term:4  <nil> {} [] 0}
created or updated -> key: test, value: test0

3 查询

与写入类似，调用Get方法：

Get(ctx context.Context, key string, opts ...OpOption) (*GetResponse, error)

3.1 查询一个结果

func main() {
    ...
    ctx := client.Ctx()
  
    getResp, err := client.Get(ctx, "test")
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println("get response:", getResp)
}

结果：

get response: &{cluster_id:4577776708217222017 member_id:10491173242589593685 revision:2 raft_term:2  [key:"test" create_revision:2 mod_revision:2 version:1 value:"test0" ] false 1 {} [] 0}

3.2 查询包含前缀的多个结果

使用前缀查询时，就需要用到OpOption参数了。

前缀查询的方法为：

func WithPrefix() OpOption {
    return func(op *Op) {
        if len(op.key) == 0 {
            op.key, op.end = []byte{0}, []byte{0}
            return
        }
        op.end = getPrefix(op.key)
    }
}

向 etcd 中添加 test1 、 test2 、test3 后，使用前缀查询：

    getResp, err := client.Get(ctx, "test", clientv3.WithPrefix())
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    for _, kv := range getResp.Kvs {
        fmt.Printf("%s = %s\n", kv.Key, string(kv.Value))
    }

结果：

test = test0
test1 = 1
test2 = 2
test3 = 3

3.3 查询指定范围的多个结果

范围查询的方法为：

func WithRange(endKey string) OpOption {
    return func(op *Op) { op.end = []byte(endKey) }
}

下面查询 test 到 test2 的结果：

    getResp, err := client.Get(ctx, "test", clientv3.WithRange("test3"))  // 不包含 test3
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    for _, kv := range getResp.Kvs {
        fmt.Printf("%s = %s\n", kv.Key, string(kv.Value))
    }

结果：

test = test0
test1 = 1
test2 = 2

3.4 查询历史版本的值

这里就需要用到 put 或 get 响应中的Revision属性了，代表每次修改的版本号，查询时指定想要查询的版本号即可查询对应历史版本的值。

版本号是全局版本号，不是某个值的版本号，任何一个值被创建、修改或删除，版本号都会增加 1 。

在 3.1 的响应中，我们能够看到每条查询结果中都有create_revision和mod_revision两个属性，分别对应的创建时的版本号和最后一次修改时的版本号，根据这两个版本号可以进行历史版本的查询：

    getResp, err := client.Get(ctx, "test", clientv3.WithPrefix(), clientv3.WithRev(11))
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    for _, kv := range getResp.Kvs {
        fmt.Println(kv)
    }

需要注意的是，在响应中有一个属性revision，代表当前最新版本号，要查询的版本号不能大于此值。

本例中，revision=12，所以我们查询 11 号的值，结果为：

key:"test" create_revision:2 mod_revision:11 version:2 value:"00" 
key:"test1" create_revision:3 mod_revision:10 version:2 value:"10" 
key:"test2" create_revision:4 mod_revision:9 version:2 value:"20" 
key:"test3" create_revision:5 mod_revision:8 version:4 value:"30"

可以看到，查询到的结果最新版本号小于要查询的版本号时，返回的是最新版本的值。

3.5 查询大于等于某个键的值的所有结果

比如查询 key 大于等于 test2 的值：

    getResp, err := client.Get(ctx, "test2", clientv3.WithFromKey())
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    for _, kv := range getResp.Kvs {
        fmt.Println(kv)
    }

结果：

key:"test2" create_revision:4 mod_revision:9 version:2 value:"20" 
key:"test3" create_revision:5 mod_revision:8 version:4 value:"30" 

看一下WithFromKey()方法的具体实现：

func WithFromKey() OpOption {
    return func(op *Op) {
        if len(op.key) == 0 {
            op.key = []byte{0}
        }
        op.end = []byte("\x00")
    }
}

阅读Get源码中可以知道，在调用Get时，会初始化Op结构体：

ret := Op{t: tRange, key: []byte(key)}

将传入的key作为起始 key，WithFromKey()将空字符串作为结束 key（意为无限大）。

由此可以查询到所有大于起始二进制 key 的 转为二进制后的 key。

3.6 其他 options

除上述 options 外，还有以下 options 可用：

• WithSerializable：让Get请求可序列化，能够降低服务端响应延迟
• WithSort：排序，需要与WithPrefix或WithRange合用，可以根据 key、version、revisions 或 value 进行排序
• WithLimit：限制查询结果的数量
• WithLease：为Put请求添加租约 id
• WithKeysOnly：只查询符合条件的所有 key，不查询对应的 value
• ...

源码中还有很多 options，不一一列举了，可以自行阅读源码：https://github.com/etcd-io/et...

4 租约

租约的意义就是节点的只能存活租约设置的时间。租约的存活时间 TTL 如果到期，租约就会过期，并且所有附带的节点都会被删除。

租约不影响集群版本。

4.1 批准租约

    grantResp, err := client.Grant(ctx, 10)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println("新租约 ID：", grantResp.ID)

结果：

新租约 ID： 4635744352028668180

4.2 废除租约

可以使用租约 id 废除租约，废除时其附带的节点也会被删除。

    revokeResp, err := client.Revoke(ctx, grantResp.ID)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println("租约已废除：", revokeResp)

结果：

租约已废除： &{cluster_id:4577776708217222017 member_id:10966956327032670700 revision:43 raft_term:2  {} [] 0}

4.3 获取租约剩余时间

租约过期时，剩余时间会是 -1。

    liveResp, err := client.TimeToLive(ctx, grantResp.ID)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Printf("剩余 %d 秒\n", liveResp.TTL)

    time.Sleep(6 * time.Second)

    liveResp, err = client.TimeToLive(ctx, grantResp.ID)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Printf("剩余 %d 秒\n", liveResp.TTL)

结果：

新租约 ID： 2426447259829618775
剩余 4 秒
剩余 -1 秒

4.4 获取有效的所有租约

    leasesResp, err := client.Leases(ctx)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println(leasesResp.Leases)

返回的Leases结构体：

type LeaseStatus struct {
    ID LeaseID `json:"id"`
    // TODO: TTL int64
}

结果：

新租约 ID： 4635744352028668184
[{4635744352028668184}]

4.5 自动续约

自动续约KeepAlive，会返回一个LeaseKeepAliveResponse的只读管道，续约成功时后向这个管道内发送响应，我们只需要处理接收到的响应即可：

    keepResp, err := client.KeepAlive(ctx, grantResp.ID)
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    for resp := range keepResp {
        fmt.Println("续约成功：", resp)
        liveResp, err := client.TimeToLive(ctx, grantResp.ID)
        if err != nil {
            panic(err)
        }
        fmt.Printf("剩余 %d 秒\n", liveResp.TTL)
    }

结果：

续约成功： cluster_id:4577776708217222017 member_id:10966956327032670700 revision:43 raft_term:2 
剩余 9 秒
续约成功： cluster_id:4577776708217222017 member_id:10966956327032670700 revision:43 raft_term:2 
剩余 9 秒
续约成功： cluster_id:4577776708217222017 member_id:10966956327032670700 revision:43 raft_term:2 
...

4.6 续约一次

    time.Sleep(6 * time.Second)

    liveResp, err := client.TimeToLive(ctx, grantResp.ID)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Printf("剩余 %d 秒\n", liveResp.TTL)

    keepResp, err := client.KeepAliveOnce(ctx, grantResp.ID)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println("续约成功：", keepResp)

    liveResp, err = client.TimeToLive(ctx, grantResp.ID)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Printf("剩余 %d 秒\n", liveResp.TTL)

结果：

剩余 3 秒
续约成功： cluster_id:4577776708217222017 member_id:10491173242589593685 revision:43 raft_term:2 
剩余 9 秒

4.7 废除当前客户端批准的所有租约

释放所有租约的方法为：

client.Lease.Close()

但我测试时发现调用这个方法后，没有一个租约被释放，所以此条待完善，未能发现是我使用的问题，还是代码的问题。

5 删除

可以删除一个或符合条件的 key。

5.1 删除一个

    delResp, err := client.Delete(ctx, "test")
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println(delResp)

没有报错即为删除成功，但此处需要注意，删除一个不存在的键并不会报错，只是版本号不会发生变化，响应中的Deleted属性值为 0。

5.2 删除多个

    delResp, err := client.Delete(ctx, "test", clientv3.WithPrefix())
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Printf("删除了 %d 个值\n", delResp.Deleted)

options 与Get中类似。

结果：

删除了 4 个值

6 监听

etcd 的监听是Watch方法。

6.1 监听一个节点

以监听test节点为例：

    wch := client.Watch(ctx, "test")

    for e := range wch {
        fmt.Println(e.Events[0])
    }

监听后，会返回一个装有WatchResponse的管道，我们只需要遍历这个管道，即可监听test节点的所有变动。

WatchResponse结构体中存储节点变动的是一个事件的切片，监听一个节点时，里面不会有多个事件。

运行程序后，用其他程序修改test节点的值，监听程序会得到如下输出：

&{PUT key:"test" create_revision:24 mod_revision:27 version:4 value:"510"  <nil> {} [] 0}
&{PUT key:"test" create_revision:24 mod_revision:28 version:5 value:"10"  <nil> {} [] 0}
&{DELETE key:"test" mod_revision:29  <nil> {} [] 0}

6.2 监听多个节点

监听也可以使用 option，参考第 3 节中关于 option 的描述。

    wch := client.Watch(ctx, "test", clientv3.WithPrefix())

    for resp := range wch {
        for _, e := range resp.Events {  // 监听多个节点，可能会有多个事件，所以这里对事件切片进行遍历
            fmt.Println(e)
        }
    }

结果：

&{PUT key:"test" create_revision:37 mod_revision:38 version:2 value:"110"  <nil> {} [] 0}
&{PUT key:"test1" create_revision:34 mod_revision:39 version:2 value:"111"  <nil> {} [] 0}
&{DELETE key:"test" mod_revision:40  <nil> {} [] 0}
&{DELETE key:"test1" mod_revision:40  <nil> {} [] 0}
&{DELETE key:"test2" mod_revision:40  <nil> {} [] 0}
&{DELETE key:"test3" mod_revision:40  <nil> {} [] 0}

6.3 从节点的指定历史版本开始监听

默认的监听是监听当前版本之后的变化，但一些场景下需要从历史版本开始监听。

比如，一个程序一直在监听 etcd 的某一个节点，运行过程中，程序发生异常退出，程序退出后到重新启动前是无法获取 etcd 的节点的所有改动的。如果就这样启动程序，程序获取到的是最新的版本，与程序退出前需要的参数并不一致，必然会引起其他问题，导致程序不能像预期一样运行。所以，程序应该在启动时，从退出前获得的最后一个版本号开始监听。

示例：

程序退出前，test节点的版本号是 38，但随着其他程序的调用更新，当前集群的版本号已经被更新到了 40，程序重新启动时，就需要从 38 号开始监听：

wch := client.Watch(ctx, "test", clientv3.WithRev(38))

    for resp := range wch {
        for _, e := range resp.Events {
            fmt.Println(e)
        }
    }

历史监听启动时会立即获取到从 38 到 40，test节点的所有改动：

&{PUT key:"test" create_revision:37 mod_revision:38 version:2 value:"110"  <nil> {} [] 0}
&{DELETE key:"test" mod_revision:40  <nil> {} [] 0}

7 压缩版本号

etcd 默认情况下会保存历史版本号以便程序可以读取历史版本，但如果不加以控制，版本号会无限叠加，历史数据也会无限保存，这样的话就会产生大量的无用的历史数据。

为了避免这个问题，etcd 提供了压缩功能：删除指定版本之前的历史版本和历史数据，被删除的所有数据将无法访问。

比如，当前版本号是 43，我们想删除 42 之前的数据：

    comResp, err := client.Compact(ctx, 42)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println(comResp)

    // 获取 42 之前的版本
    getResp, err := client.Get(ctx, "test", clientv3.WithRev(40))
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println(getResp)

结果：

&{cluster_id:4577776708217222017 member_id:10491173242589593685 revision:42 raft_term:2  {} [] 0}
{"level":"warn","ts":"2021-04-20T18:50:53.431+0800","caller":"v3@v3.5.0-alpha.0/retry_interceptor.go:62","msg":"retrying of unary invoker failed","target":"etcd-endpoints://0xc000140380/#initially=[172.17.0.2:2379;172.17.0.3:2379;172.17.0.4:2379]","attempt":0,"error":"rpc error: code = OutOfRange desc = etcdserver: mvcc: required revision has been compacted"}
panic: etcdserver: mvcc: required revision has been compacted

可以看到，40 版本号已经被压缩，无法再访问。

8 事务

etcd 中事务是原子性过程，只支持If().Then().Else().Commit()这种表达。

If中支持传入多个比较条件Cmp，如果条件都满足，执行Then中的Op，否则执行Else中的Op，最后Commit。

四舍五入示例：

如果test的值小于 5，将test的值改为 0，否则改为 10。

    txn := client.Txn(ctx)

    getResp, err := client.Get(ctx, "test")
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println("事务前的值：", string(getResp.Kvs[0].Value))

    txnResp, err := txn.If(clientv3.Compare(clientv3.Value("test"), "<", "5")).
        Then(clientv3.OpPut("test", "0")).
        Else(clientv3.OpPut("test", "9")).
        Commit()
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    if txnResp.Succeeded {
        fmt.Println("小于 5，舍")
    } else {
        fmt.Println("大于 5，入")
    }

    getResp, err = client.Get(ctx, "test")
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println("事务提交成功后的值：", string(getResp.Kvs[0].Value))

结果：

事务前的值： 5
大于 5，入
事务提交成功后的值： 9

9 用户和角色 / Auth 身份认证

etcd 中的用户可以授予角色权限。root 用户

auth 的完整示例（选自官方 example 文件）：

unc main() {
    endpoints := []string{"172.17.0.2:2379", "172.17.0.3:2379", "172.17.0.4:2379"}
    client, err := clientv3.New(clientv3.Config{
        Endpoints:   endpoints,
        DialTimeout: 5 * time.Second,
    })
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    defer client.Close()
    
  // 添加角色 root
    _, err = client.RoleAdd(context.TODO(), "root")
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println("已添加角色：root")
    
  // 添加用户
    _, err = client.UserAdd(context.TODO(), "root", "123")
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println("已创建用户，用户名：root，密码：123")
    
  // 为用户授 root 授予 root 角色权限
    _, err = client.UserGrantRole(context.TODO(), "root", "root")
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println("已为用户 root 授予 root 角色权限")
  
  // 添加角色 r
    _, err = client.RoleAdd(context.TODO(), "r")
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println("已添加角色：r")
    
  // 为角色 r 设置权限，对 [test, test3) 有写权限
    _, err = client.RoleGrantPermission(
        context.TODO(),
        "r",
        "test",
        "test3",
        clientv3.PermissionType(clientv3.PermWrite),
    )
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println("角色 r 对节点 test 到 test3 添加写权限")
    
  // 添加用户 u
    _, err = client.UserAdd(context.TODO(), "u", "123")
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println("已创建用户，用户名：u，密码：123")
    
  // 为用户 u 授予 角色 r 的权限
    _, err = client.UserGrantRole(context.TODO(), "u", "r")
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println("已为用户 u 授予角色 r 的权限")
    
  // 开启集权的身份认证
    _, err = client.AuthEnable(context.TODO())
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println("已为集群开启权限认证")
    
  // 以指定用户创建客户端
    authClient, err := clientv3.New(clientv3.Config{
        Endpoints:   endpoints,
        DialTimeout: 5 * time.Second,
        Username:    "u",
        Password:    "123",
    })
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    defer authClient.Close()
    
  // 添加或修改节点 test1
    _, err = authClient.Put(context.TODO(), "test1", "1")
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    
  // 开启事务
    _, err = authClient.Txn(context.TODO()).
        If(clientv3.Compare(clientv3.Value("test4"), ">", "1")).
        Then(clientv3.OpPut("test4", "yes")).
        Else(clientv3.OpPut("test4", "no")).
        Commit()
    fmt.Println(err)

  // 以 root 用户创建客户端
    rootClient, err := clientv3.New(clientv3.Config{
        Endpoints:   endpoints,
        DialTimeout: 5 * time.Second,
        Username:    "root",
        Password:    "123",
    })
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    defer rootClient.Close()
    
  // 获取角色 r 的信息
    resp, err := rootClient.RoleGet(context.TODO(), "r")
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Printf("用户 u 的权限：起始 key %q，结束 key %q\n", resp.Perm[0].Key, resp.Perm[0].RangeEnd)
    
  // 关闭集群的身份认证
    _, err = rootClient.AuthDisable(context.TODO())
    if err != nil {
        panic(err)
    }
}

结果：

已添加角色：root
已创建用户，用户名：root，密码：123
已为用户 root 授予 root 角色权限
已添加角色：r
角色 r 对节点 test 到 test3 添加写权限
已创建用户，用户名：u，密码：123
已为用户 u 授予角色 r 的权限
已为集群开启权限认证
{"level":"warn","ts":"2021-04-21T09:01:38.789+0800","caller":"v3@v3.5.0-alpha.0/retry_interceptor.go:62","msg":"retrying of unary invoker failed","target":"etcd-endpoints://0xc0003ba1c0/#initially=[172.17.0.2:2379;172.17.0.3:2379;172.17.0.4:2379]","attempt":0,"error":"rpc error: code = PermissionDenied desc = etcdserver: permission denied"}
etcdserver: permission denied
用户 u 的权限：起始 key "test"，结束 key "test3"