技术分享| 基于 Etcd 的分布式锁实现原理及方案

2022-10-26
上海
本文字数：7707 字
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1. 为什么选择 Etcd

据官网介绍，Etcd 是一个分布式，可靠的 Key-Value 存储系统，主要用于存储分布式系统中的关键数据。初见之下，Etcd 与 NoSQL 数据库系统有几分相似，但作为数据库绝非 Etcd 所长，其读写性能远不如 MongoDB、Redis 等 Key-Value 存储系统。“让专业的人做专业的事！” Ectd 作为一个高可用的键值存储系统，有很多典型的应用场景，本文将介绍 Etcd 的优秀实践之一：分布式锁。

1.1 Etcd 优点

目前，可实现分布式锁的开源软件有很多，其中应用最广泛、大家最熟悉的应该就是 ZooKeeper，此外还有数据库、Redis、Chubby 等。但若从读写性能、可靠性、可用性、安全性和复杂度等方面综合考量，作为后起之秀的 Etcd 无疑是其中的 “佼佼者” 。它完全媲美业界“名宿”ZooKeeper，在有些方面，Etcd 甚至超越了 ZooKeeper，如 Etcd 采用的 Raft 协议就要比 ZooKeeper 采用的 Zab 协议简单、易理解。

Etcd 作为 CoreOS 开源项目，有以下的特点。

简单：使用 Go 语言编写，部署简单；支持 cURL 方式的用户 API （HTTP+JSON），使用简单；开源 Java 客户端使用简单；
安全：可选 SSL 证书认证；
快速：在保证强一致性的同时，读写性能优秀，详情可查看官方提供的 Benchmark 数据；
可靠：采用 Raft 算法实现分布式系统数据的高可用性和强一致性。

1.2 分布式锁的基本原理

分布式环境下，多台机器上多个进程对同一个共享资源（数据、文件等）进行操作，如果不做互斥，就有可能出现“余额扣成负数”，或者“商品超卖”的情况。为了解决这个问题，需要分布式锁服务。首先，来看一下分布式锁应该具备哪些条件。

互斥性：在任意时刻，对于同一个锁，只有一个客户端能持有，从而保证一个共享资源同一时间只能被一个客户端操作；
安全性：即不会形成死锁，当一个客户端在持有锁的期间崩溃而没有主动解锁的情况下，其持有的锁也能够被正确释放，并保证后续其它客户端能加锁；
可用性：当提供锁服务的节点发生宕机等不可恢复性故障时，“热备” 节点能够接替故障的节点继续提供服务，并保证自身持有的数据与故障节点一致。
对称性：对于任意一个锁，其加锁和解锁必须是同一个客户端，即客户端 A 不能把客户端 B 加的锁给解了。

1.3 Etcd 实现分布式锁的基础

Etcd 的高可用性、强一致性不必多说，前面章节中已经阐明，本节主要介绍 Etcd 支持的以下机制：Watch 机制、Lease 机制、Revision 机制和 Prefix 机制，正是这些机制赋予了 Etcd 实现分布式锁的能力。

Lease 机制：即租约机制（TTL，Time To Live），Etcd 可以为存储的 Key-Value 对设置租约，当租约到期，Key-Value 将失效删除；同时也支持续约，通过客户端可以在租约到期之前续约，以避免 Key-Value 对过期失效。Lease 机制可以保证分布式锁的安全性，为锁对应的 Key 配置租约，即使锁的持有者因故障而不能主动释放锁，锁也会因租约到期而自动释放。
Revision 机制：每个 Key 带有一个 Revision 号，每进行一次事务便加一，因此它是全局唯一的，如初始值为 0，进行一次 put(key, value)，Key 的 Revision 变为 1，同样的操作，再进行一次，Revision 变为 2；换成 key1 进行 put(key1, value) 操作，Revision 将变为 3；这种机制有一个作用：通过 Revision 的大小就可以知道写操作的顺序。在实现分布式锁时，多个客户端同时抢锁，根据 Revision 号大小依次获得锁，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，例如，一个名为 /mylock 的锁，两个争抢它的客户端进行写操作，实际写入的 Key 分别为：key1="/mylock/UUID1",key2="/mylock/UUID2"，其中，UUID 表示全局唯一的 ID，确保两个 Key 的唯一性。很显然，写操作都会成功，但返回的 Revision 不一样，那么，如何判断谁获得了锁呢？通过前缀“/mylock” 查询，返回包含两个 Key-Value 对的 Key-Value 列表，同时也包含它们的 Revision，通过 Revision 大小，客户端可以判断自己是否获得锁，如果抢锁失败，则等待锁释放（对应的 Key 被删除或者租约过期），然后再判断自己是否可以获得锁。
Watch 机制：即监听机制，Watch 机制支持监听某个固定的 Key，也支持监听一个范围（前缀机制），当被监听的 Key 或范围发生变化，客户端将收到通知；在实现分布式锁时，如果抢锁失败，可通过 Prefix 机制返回的 Key-Value 列表获得 Revision 比自己小且相差最小的 Key（称为 Pre-Key），对 Pre-Key 进行监听，因为只有它释放锁，自己才能获得锁，如果监听到 Pre-Key 的 DELETE 事件，则说明 Pre-Key 已经释放，自己已经持有锁。

2. Etcd 实现分布式锁

2.1 基于 Etcd 的分布式锁业务流程

下面描述了使用 Etcd 实现分布式锁的业务流程，假设对某个共享资源设置的锁名为：/anyrtc/mylock。

步骤 1：准备客户端连接 Etcd，以 /anyrtc/mylock 为前缀创建全局唯一的 Key，假设第一个客户端对应的 Key="/anyrtc/mylock/UUID1"，第二个为 Key="/anyrtc/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”在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 /anyrtc/mylock 读取 Key-Value 列表（Key-Value 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。

2.2 基于 Etcd 的分布式锁的原理图

根据上一节中介绍的业务流程，基于 Etcd 的分布式锁示意图如下。

业务流程图大家可参看这篇文章《Zookeeper 分布式锁实现原理》。

2.3 基于 golang 实现 Etcd 的分布式锁

分布式锁 EtcdLocker 代码

package etcd
import (  "context"  clientV3 "go.etcd.io/etcd/client/v3"  "log"  "os"  "time")
// EtcdLocker 分布式锁结构体type EtcdLocker struct {  client     *clientV3.Client // 连接到etcd的客户端实例  lease      clientV3.Lease   // 在etcd上的租约实例  leaseId    clientV3.LeaseID  cancelFunc context.CancelFunc  option     Option}
// Option EtcdClient的配置选项type Option struct {  ConnectionTimeout time.Duration // 连接到etcd的超时时间，示例：5*time.Second  LeaseTtl          int64         // 租约时长，连接异常断开后，未续租的租约会在这个时间之后失效  Prefix            string        // 锁前缀  Username          string        // 用户名，可选  Password          string        // 密码，可选  Debug             bool}
// New 创建一把锁//  etcdEndpoints etcd连接信息，示例：[]string{"localhost:2379"}//  option 连接选项，包clientV3.Config中的配置项很多，我们其实用不到它们那么多，简化一下func New(etcdEndpoints []string, option Option) (locker *EtcdLocker, err error) {  if option.Prefix == "" {    option.Prefix = "distribution_lock:"  }  if option.ConnectionTimeout <= 0 {    option.ConnectionTimeout = 5 * time.Second  }  if option.LeaseTtl <= 0 {    option.LeaseTtl = 5  }  config := clientV3.Config{    Endpoints:   etcdEndpoints,    DialTimeout: option.ConnectionTimeout,    Username:    option.Username,    Password:    option.Password,  }  locker = &EtcdLocker{    option: option,  }  if locker.client, err = clientV3.New(config); err != nil {    return nil, err  }  var timeoutCtx, cancel = context.Background(), locker.timeoutCancel  timeoutCtx, cancel = context.WithTimeout(context.Background(), option.ConnectionTimeout)  defer cancel()  if _, err := locker.client.Status(timeoutCtx, etcdEndpoints[0]); err != nil {    return nil, err  }
  //上锁并创建租约  locker.lease = clientV3.NewLease(locker.client)  var leaseGrantResp *clientV3.LeaseGrantResponse  // 第2个参数TTL，可以用于控制如果当前进程和etcd连接断开了，持有锁的上下文多长时间失效  if leaseGrantResp, err = locker.lease.Grant(context.TODO(), option.LeaseTtl); err != nil {    return nil, err  }  locker.leaseId = leaseGrantResp.ID  var ctx context.Context  // 创建一个可取消的租约，主要是为了退出的时候能够释放  ctx, locker.cancelFunc = context.WithCancel(context.Background())  var keepRespChan <-chan *clientV3.LeaseKeepAliveResponse  if keepRespChan, err = locker.lease.KeepAlive(ctx, locker.leaseId); err != nil {    return nil, err  }  // 续约应答  go func() {    for {      select {      case keepResp := <-keepRespChan:        if keepResp == nil {          if locker.option.Debug {            log.Printf("进程 %+v 的锁 %+v 的租约已经失效了", os.Getpid(), locker.leaseId)          }          return        } else { // 每秒会续租一次, 所以就会收到一次应答          if locker.option.Debug {            log.Printf("进程 %+v 收到自动续租应答 %+v", os.Getpid(), keepResp.ID)          }        }      }    }  }()  return locker, nil}
func (locker *EtcdLocker) timeoutCancel() {  if locker.option.Debug {    log.Printf("进程 %+v 的锁操作撤销", os.Getpid())  }}
// GetId 获得当前锁的内部IDfunc (locker *EtcdLocker) GetId() int64 {  return int64(locker.leaseId)}// Acquire 获得锁// lockerId 锁ID，推荐使用UUID或雪花算法，确保唯一性，防止复杂业务+大量数据的情况下发生锁冲撞// 返回值：who 如果获得锁失败，此ID可以标示锁现在在谁手中（这个谁，来自于GetId()的返回值//        换句话说，A进程获得锁之后，可以通过GetId知道自己的ID是多少，此时B进程获得锁失败，可以通过who返回值知道锁在A手中func (locker *EtcdLocker) Acquire(lockerId string) (who int64, ok bool) {  var err error  // 在租约时间内去抢锁（etcd 里面的锁就是一个 key）  kv := clientV3.NewKV(locker.client)
  // 创建事务  txn := kv.Txn(context.TODO())  // 定义锁的Key  var lockerKey = locker.option.Prefix + lockerId  // If 不存在 key，Then 设置它，Else 抢锁失败  txn.If(clientV3.Compare(clientV3.CreateRevision(lockerKey), "=", 0)).    Then(clientV3.OpPut(lockerKey, lockerId, clientV3.WithLease(locker.leaseId))).    Else(clientV3.OpGet(lockerKey))  var txnResp *clientV3.TxnResponse  if txnResp, err = txn.Commit(); err != nil {    return 0, false  }
  if !txnResp.Succeeded {    return txnResp.Responses[0].GetResponseRange().Kvs[0].Lease, false  }  return 0, true}
// Release 释放锁func (locker *EtcdLocker) Release() error {  locker.cancelFunc()  if _, err := locker.lease.Revoke(context.TODO(), locker.leaseId); err != nil {    return err  }  return nil}

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EtcdLocker Test 方法

package etcd
import (  "fmt"  "log"  "os"  "sync"  "sync/atomic"  "testing"  "time")
var etcdEndpoint = []string{"192.168.1.111:2379"}
// 一把锁，开调试func TestEtcdLockerOneAsDebug(t *testing.T) {  option := Option{    ConnectionTimeout: 5 * time.Second,    Prefix:            "",    Debug:             true,  }  if locker, err := New(etcdEndpoint, option); err != nil {    log.Fatalf("创建锁失败：%+v", err)  } else if who, ok := locker.Acquire("EtcdLockerOneAsDebug"); ok {    // 抢到锁后执行业务逻辑，没有抢到则退出    t.Logf("进程 %+v 持有锁 %+v 正在处理任务中...", os.Getpid(), locker.GetId())    time.Sleep(5 * time.Second) // 这是正在做的事情，假定耗时5秒    t.Logf("进程 %+v 的任务处理完了", os.Getpid())    // 手动释放锁，在后台应用服务中，也可以通过defer释放    if err := locker.Release(); err != nil {      log.Fatalf("释放锁失败：%+v", err)    } else {      time.Sleep(2 * time.Second)    }  } else {    t.Logf("获取锁失败，锁现在在 %+v 手中", who)  }}
// 一把锁，不开调试带前缀func TestEtcdLockerOneNoneDebugAndPrefix(t *testing.T) {  option := Option{    ConnectionTimeout: 3 * time.Second,    Prefix:            "MyEtcdLocker",    Debug:             false,  }  if locker, err := New(etcdEndpoint, option); err != nil {    log.Fatalf("创建锁失败：%+v", err)  } else if who, ok := locker.Acquire("EtcdLockerOneNoneDebugAndPrefix"); ok {    // 抢到锁后执行业务逻辑，没有抢到则退出    t.Logf("进程 %+v 持有锁 %+v 正在处理任务中...", os.Getpid(), locker.GetId())    time.Sleep(5 * time.Second) // 这是正在做的事情，假定耗时5秒    t.Logf("进程 %+v 的任务处理完了", os.Getpid())    // 手动释放锁，在后台应用服务中，也可以通过defer释放    if err := locker.Release(); err != nil {      log.Fatalf("释放锁失败：%+v", err)    } else {      time.Sleep(1 * time.Second)    }  } else {    t.Logf("获取锁失败，锁现在在 %+v 手中", who)  }}
// 一把锁，多任务（多请求）竞争锁，// 此测试用例还可以通过命令 go test -run="TestEtcdLockerMultiTask" 开多个进程进行并行竞争测试// 多进程测试时的结果验证方法，条件：多个测试只要有一个未完成，预期结果是：获取锁失败，successCount的值就是0func TestEtcdLockerMultiTask(t *testing.T) {  const taskCount = 5  option := Option{    ConnectionTimeout: 3 * time.Second,    Prefix:            "MyEtcdLocker",    Debug:             false,  }  var successCount int64 = 0  var wg sync.WaitGroup  for i := 0; i < taskCount; i++ {    wg.Add(1)    go func(taskId int) {      defer wg.Done()      if locker, err := New(etcdEndpoint, option); err != nil {        log.Fatalf("[%+v]创建锁失败：%+v", taskId, err)      } else if who, ok := locker.Acquire("EtcdLockerMulti"); ok {        // 抢到锁后执行业务逻辑，没有抢到则退出        t.Logf("[%+v]进程 %+v 持有锁 %+v 正在处理任务中...", taskId, os.Getpid(), locker.GetId())        atomic.AddInt64(&successCount, 1)        time.Sleep(5 * time.Second) // 这是正在做的事情，假定耗时5秒        t.Logf("[%+v]进程 %+v 的任务处理完了", taskId, os.Getpid())        // 手动释放锁，在后台应用服务中，也可以通过defer释放        if err := locker.Release(); err != nil {          log.Fatalf("[%+v]释放锁失败：%+v", taskId, err)        } else {          time.Sleep(1 * time.Second)        }      } else {        t.Logf("[%+v]获取锁失败，锁现在在 %+v 手中", taskId, who)      }    }(i)  }  wg.Wait()  if successCount != 1 {    t.Fatalf("进程 %+v 的分布式锁功能存在BUG", os.Getpid())  }}
// 多把锁，多任务（多请求），各有各的锁func TestEtcdLockerMultiBusinessMultiLocker(t *testing.T) {  const taskCount = 5  option := Option{    ConnectionTimeout: 3 * time.Second,    Prefix:            "MyEtcdLocker",    Debug:             false,  }  var successCount int64 = 0  var wg sync.WaitGroup  for i := 0; i < taskCount; i++ {    wg.Add(1)    go func(taskId int) {      defer wg.Done()      if locker, err := New(etcdEndpoint, option); err != nil {        log.Fatalf("[%+v]创建锁失败：%+v", taskId, err)      } else if who, ok := locker.Acquire(fmt.Sprintf("EtcdLockerMulti_%d", taskId)); ok {        // 抢到锁后执行业务逻辑，没有抢到则退出        t.Logf("[%+v]进程 %+v 持有锁 %+v 正在处理任务中...", taskId, os.Getpid(), locker.GetId())        atomic.AddInt64(&successCount, 1)        time.Sleep(8 * time.Second) // 这是正在做的事情，假定耗时8秒        t.Logf("[%+v]进程 %+v 的任务处理完了", taskId, os.Getpid())        // 手动释放锁，在后台应用服务中，也可以通过defer释放        if err := locker.Release(); err != nil {          log.Fatalf("[%+v]释放锁失败：%+v", taskId, err)        } else {          time.Sleep(1 * time.Second)        }      } else {        t.Logf("[%+v]获取锁失败，锁现在在 %+v 手中", taskId, who)      }    }(i)  }  wg.Wait()  if successCount != taskCount {    t.Fatalf("进程 %+v 的分布式锁功能存在BUG", os.Getpid())  }}
func TestEtcdLocker_GetId(t *testing.T) {  option := Option{    ConnectionTimeout: 3 * time.Second,    Prefix:            "EtcdLocker_GetId",    Debug:             true,  }  if locker, err := New(etcdEndpoint, option); err != nil {    log.Fatalf("创建锁失败：%+v", err)  } else if who, ok := locker.Acquire("EtcdLocker_GetId"); ok {    // 抢到锁后执行业务逻辑，没有抢到则退出    t.Logf("进程 %+v 持有锁 %+v 正在处理任务中...", os.Getpid(), locker.GetId())    time.Sleep(2 * time.Second) // 这是正在做的事情，假定耗时2秒    t.Logf("进程 %+v 的任务处理完了", os.Getpid())    // 手动释放锁，在后台应用服务中，也可以通过defer释放    if err := locker.Release(); err != nil {      log.Fatalf("释放锁失败：%+v", err)    } else {      time.Sleep(1 * time.Second)    }  } else {    t.Logf("获取锁失败，锁现在在 %+v 手中", who)  }}

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参考文档

Etcd官网 Etcd 技术文章摘抄基于 etcd 实现分布式锁

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原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/d818c750752dd540f02eebb35】。文章转载请联系作者。

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