分布式锁实践

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实现分布式锁方案

这里介绍常见两种:redis锁、zookeeper锁

分布式锁应用场景

很多应用场景是需要系统保证幂等性的(如api服务或消息消费者),并发情况下或消息重复很容易造成系统重入,那么分布式锁是保障幂等的一个重要手段。

另一方面,很多抢单场景或者叫交易撮合场景,如dd司机抢单或唯一商品抢拍等都需要用一把“全局锁”来解决并发造成的问题。在防止并发情况下造成库存超卖的场景,也常用分布式锁来解决。

参考文章:Go语言中文网 Go:分布式锁实现原理与最佳实践 https://mp.weixin.qq.com/s/lrSQBK-Kihkj6994kQFpUQ

1.Redis实现方案

1.1实现原理

redis分布式锁基本都知道setnx命令(if not exists),其实现原理即:如果进入redis添加某个键不存在可以设置成功,如果已存在则会设置失败。

说明:setnx命令已过时,这里推荐使用set +nx参数来实现。

set命令:set key value ex seconds nx

  • ex 表示过期时间,精确到秒 (对应另一个参数px过期时间精确到毫秒)
  • nx 表示if not exists,只有键不存在才能设置成功(对应另一个参数xx只有键存在才能设置成功)

image

设置过期时间的作用,如果某个并行任务(进程/线程/协程)持有锁,但不能正常释放,将导致所有任务都无法获取锁,获取执行权限。而引入了过期时间解决此问题的同时,也会引入新的问题,具体后面分析。

1.2代码实现

import "github.com/go-redis/redis"  //redis package
//connect redis
var client = redis.NewClient(&redis.Options{
    Addr:     "localhost:6379",
    Password: "",
    DB:       0,
})
//lock
func lock(myfunc func()) {
    var lockKey = "mylockr"
    //lock
    lockSuccess, err := client.SetNX(lockKey, 1, time.Second*5).Result()
    if err != nil || !lockSuccess {
        fmt.Println("get lock fail")
        return
    } else {
        fmt.Println("get lock")
    }
    //run func
    myfunc()
    //unlock
    _, err := client.Del(lockKey).Result()
    if err != nil {
        fmt.Println("unlock fail")
    } else {
        fmt.Println("unlock")
    }
}
//do action
var counter int64
func incr() {
    counter++
    fmt.Printf("after incr is %d\n", counter)
}
//5 goroutine compete lock
var wg sync.WaitGroup
func main() {
    for i := 0; i < 5; i++ {
        wg.Add(1)
        go func() {
            lock(incr)
        }()
    }
    wg.Wait()
    fmt.Printf("final counter is %d \n", counter)
}

以上代码截取关键部分,完整代码参见:

https://github.com/skyhackvip/lock/blob/master/redislock.go

代码执行结果:

image

根据执行结果可以看到,每次执行最后的计数不一样,多个协程间互相抢锁,只有拿到锁才会计数加1,抢锁失败则不执行。

这里说明下:由于routine执行时间太短,执行完把锁释放了所以才有其他routine可以拿到锁。如果incr代码中增加sleep时间,那么结果都是1了。

用一张图来更直观解释具体执行情况:

image

1.3方案缺陷

刚才提到使用了过期时间,虽然解决了“死锁”问题,但会引来新的问题,具体问题分析如下:

image

可以看到routine1拿到锁,但由于执行时间过长(比锁失效时间长),导致锁提前失效释放,routine3可以正常拿到锁,而之后routine1进行锁释放,当routine3进行锁释放时就会失败,如果此时有其他并发来的时候锁也会有问题。

1.4方案优化

那么有什么有效解决方案呢?

简单来说就是利用lock的value,还记得之前代码设置lock的时候随便使用了一个值1就打发了。

resp := client.SetNX(lockKey, 1, time.Second*5)

这里的1可以改为能识别该routine的唯一值(如uid,orderid等),也可以使用uuid随机生成一个。(关于如何生成uuid方案参见公众号上一篇文章)

func lock(myfunc func()) {
    //lock
    uuid := getUuid()
    lockSuccess, err := client.SetNX(lockKey, uuid, time.Second*5).Result()
    if err != nil || !lockSuccess {
        fmt.Println("get lock fail")
        return
    } else {
        fmt.Println("get lock")
    }   
    //run func
    myfunc()
    //unlock
    value, _ := client.Get(lockKey).Result()
    if value == uuid { //compare value,if equal then del
        _, err := client.Del(lockKey).Result()
        if err != nil {
            fmt.Println("unlock fail")
        }  else {
            fmt.Println("unlock")
        }
    }
}

这里增加了value的比较,确认了是当前routine,才会进行删除。至此问题解决了吗?

value, _ := client.Get(lockKey).Result() 和 value==uuid

这个操作本身不具有“原子性”,可能当获取到value并且对比一致了,但此时lock过期失效了,而同时另一个routine拿到了结果,那么这里又会把别人的锁误删除了。

1.5方案再优化

那么有没有办法保障操作的原子性呢,这里可以使用lua彻底解决,lua是嵌入式语言,redis本身支持。使用golang操作redis运行lua命令,保障问题解决。上代码如下:

func lock(myfunc func()) {
    //...code
    //unlock
    var luaScript = redis.NewScript(`
        if redis.call("get", KEYS[1]) == ARGV[1]
            then
                return redis.call("del", KEYS[1])
            else
                return 0
        end
    `)
    rs, _ := luaScript.Run(client, []string{lockKey}, uuid).Result()
    if rs == 0 {
        fmt.Println("unlock fail")
    } else {
        fmt.Println("unlock")
    }
}

lua脚本中KEYS[1]代表lock的key,ARGV[1]代表lock的value,也就是生成的uuid。通过执行lua来保障这里删除锁的操作是原子的。

完整代码参见:https://github.com/skyhackvip/lock/blob/master/redislualock.go

1.6redis锁适用场景

由redis设置的锁,多个并发任务进行争抢占用,因此非常适合高并发情况下,用来进行抢锁。

1.7 总结

使用 set key value ex seconds nx 命令完成加锁操作,但是需要用value标记当前routine,防止当前routine的加的锁被其他routine解锁,同时为保证解锁时的原子性,需要使用lua脚本进行锁删除操作

2.zookeeper锁

2.1实现原理

使用zk的临时节点插入值,如果插入成功后watch会通知所有监听节点,此时其他并行任务不可再进行插入。具体图示如下:

image

2.2代码实现

import "github.com/samuel/go-zookeeper/zk" //package
//connect zk
conn, _, err := zk.Connect([]string{"localhost:2181"}, time.Second)
//zklock
func zklock(conn *zk.Conn, myfunc func()) {
    lock := zk.NewLock(conn, "/mylock", zk.WorldACL(zk.PermAll))    
    err := lock.Lock()
    if err != nil {
        panic(err)
    }   
    fmt.Println("get lock")
    myfunc()
    lock.Unlock()
    fmt.Println("unlock")
}
//goroutine run
for i := 0; i < 5; i++ {
     go zklock(conn, incr)
}

完整代码参见:https://github.com/skyhackvip/lock/blob/master/zklock.go

执行结果如下:

image

每次执行,执行结果都是5。

2.3zookeeper锁适用场景

相比于redis抢锁导致其他routine抢锁失败退出,使用zk实现的锁会让其他routine处于“等锁”状态。

3. 方案对比选择

  redis锁 zookeeper锁
描述 使用set nx实现 使用临时节点+watch实现
依赖 redis zookeeper
适用场景 并发抢锁 锁占用时间长其他任务可等待。如消息幂等消费。
高可用性 redis发生故障主从切换等可能导致锁失效 利用paxos协议能保证分布式一致性,数据更可靠

如果不是对锁有特别高的要求,一般情况下使用redis锁就够了。除提到的这两种外使用etcd也可以完成锁需求,具体可以参考下方资料。

更多参考资料

etcd实现锁:

https://github.com/zieckey/etcdsync

文章相关实现代码:

https://github.com/skyhackvip/lock

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