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RedLock 實現分散式鎖

2019-05-27 分類：後端 閱讀(868) 評論(0)

併發是程式開發中不可避免的問題，根據系統面向使用者、功能場景的不同，併發的重視程度會有不同。從程式的角度來說，併發意味著相同的時間點執行了相同的程式碼，而有些情況是不被允許的，比如：轉賬、搶購佔庫存等，如果沒有做好臨界條件的驗證，會帶來非常嚴重的後果。追根結底是因為併發引起的資料不一致問題，面對併發，我們通常會採用鎖來最佳化。

場景模擬

如下模擬搶購的示例程式碼（C#）：

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// 有10個商品庫存
private static int stockCount = 10;

public bool Buy()
{
	// 模擬執行的邏輯程式碼花費的時間
	Thread.Sleep(new Random().Next(100,500));
	if (stockCount > 0)
	{
		stockCount--;
		return true;
	}
	return false;
}
 
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var test = new Test();

Parallel.For(1, 16, (i) =>
{
	var stopwatch = new Stopwatch();
	stopwatch.Start();
	var data = test.Buy();
	stopwatch.Stop();
	Console.WriteLine($"ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}, Result:{data}, Time:{stopwatch.ElapsedMilliseconds}");
});
Console.ReadKey();

模擬並行呼叫 Buy 方法 15 次（內部使用的是執行緒池，所以 ThreadId 會有重覆），實際上只有 10 個庫存，傳回結果卻顯示 11 個請求都購買成功了。

單機部署樣式解決方案

在單機部署樣式下，我們只需要加 lock(){} 就可以解決問題：

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// 有10個商品庫存
private static int stockCount = 10;

private static object obj = new object();

public bool Buy()
{
	lock (obj)
	{
		// 模擬執行的邏輯程式碼花費的時間
		Thread.Sleep(new Random().Next(100, 500));
		if (stockCount > 0)
		{
			stockCount--;
			return true;
		}
		return false;
	}
}

從輸出結果中可以看出，確實只有10個請求是顯示購買成功，但同時發現部分請求的執行時間明顯變長，這就是加鎖帶來的最直觀影響，當某個執行緒獲得鎖之後，在沒有釋放之前，其他執行緒只能繼續等待，併發越高，更多的執行緒需要等待輪流被處理。

各種語言一般都提供了鎖的實現，用法大同小異，語言本身實現的鎖只能作用於當前行程內，所以在單機樣式部署的系統中使用基本沒什麼問題。

叢集部署樣式解決方案（分散式鎖）

在叢集樣式下，系統部署於多臺機器（一個系統執行在多個行程中），語言本身實現的鎖只能確保當前行程內有效（基於記憶體），多行程就沒辦法共享鎖狀態，這時我們就得考慮採用分散式鎖，分散式鎖可以採用 資料庫、ZooKeeper、Redis 等來實現，最終都是為了達到在不同的行程、執行緒內能共享鎖狀態的目的。

這裡將介紹基於 Redis 的 RedLock.net 來解決分散式下的併發問題，RedLock.net 是 RedLock 分散式鎖演演算法的 .NET 版實現 (大部分語言都有對應的實現，檢視) ，RedLock 分散式鎖演演算法是由 Redis 的作者提出。

RedLock 簡介

RedLock 的思想是使用多臺 Redis Master ，節點完全獨立，節點間不需要進行資料同步，因為 Master-Slave 架構一旦 Master 發生故障時資料沒有複製到 Slave，被選為 Master 的 Slave 就丟掉了鎖，另一個客戶端就可以再次拿到鎖。鎖透過 setNX（原子操作） 命令設定，在有效時間內當獲得鎖的數量大於 (n/2+1) 代表成功，失敗後需要向所有節點傳送釋放鎖的訊息。

獲取鎖：

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SET resource_name my_random_value NX PX 30000

釋放鎖：

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if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1] then
    return redis.call("del",KEYS[1])
else
    return 0
end

RedLock.net 整合

  1. 建立 .NETCore API 專案

  2. Nuget 安裝 RedLock.net

    1
    		 
    Install-Package RedLock.net

  3. appsettings.json 新增 redis 配置

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    {
  "RedisUrl": "127.0.0.1:6379", // 多個用,分割
  ...
}

  4. 新增 ProductService.cs，模擬商品購買

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    // 有10個商品庫存，如果同時啟動多個API服務進行測試，這裡改成存資料庫或其他方式
private static int stockCount = 10;
public async Task BuyAsync()
{
	// 模擬執行的邏輯程式碼花費的時間
	await Task.Delay(new Random().Next(100, 500));
	if (stockCount > 0)
	{
		stockCount--;
		return true;
	}
	return false;
}

  5. 修改 Startup.cs ，建立 RedLockFactory

    定義 RedLockFactory 變數：

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    private RedLockFactory lockFactory;

    新增方法：

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    private RedLockFactory GetRedLockFactory()
{
	var redisUrl = Configuration["RedisUrl"];
	if (string.IsNullOrEmpty(redisUrl))
	{
		throw new ArgumentException("RedisUrl 不能為空");
	}
	var urls = redisUrl.Split(",").ToList();
	var endPoints = new List();
	foreach (var item in urls)
	{
		var arr = item.Split(":");
		endPoints.Add(new DnsEndPoint(arr[0], Convert.ToInt32(arr[1])));
	}
	return RedLockFactory.Create(endPoints);
}

    在 ConfigureServices 註入 IDistributedLockFactory：

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    lockFactory = GetRedLockFactory();
services.AddSingleton(typeof(IDistributedLockFactory), lockFactory);
services.AddScoped(typeof(ProductService));

    修改 Configure，應用程式結束時釋放 lockFactory ：

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    public void Configure(IApplicationBuilder app, IHostingEnvironment env, IApplicationLifetime lifetime)
{
	...

	lifetime.ApplicationStopping.Register(() =>
	{
		lockFactory.Dispose();
	});
}

  6. 在 Controller 新增方法 DistributedLockTest

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    private readonly IDistributedLockFactory _distributedLockFactory;
private readonly ProductService _productService;

public HomeController(IDistributedLockFactory distributedLockFactory,
	ProductService productService)
{
	_distributedLockFactory = distributedLockFactory;
	_productService = productService;
}

[HttpGet]
public async Task DistributedLockTest()
{
	var productId = "id";
	// resource 鎖定的物件
	// expiryTime 鎖定過期時間，鎖區域內的邏輯執行如果超過過期時間，鎖將被釋放
	// waitTime 等待時間,相同的 resource 如果當前的鎖被其他執行緒佔用,最多等待時間
	// retryTime 等待時間內，多久嘗試獲取一次
	using (var redLock = await _distributedLockFactory.CreateLockAsync(productId, TimeSpan.FromSeconds(5), TimeSpan.FromSeconds(1), TimeSpan.FromMilliseconds(20)))
	{
		if (redLock.IsAcquired)
		{
			var result = await _productService.BuyAsync();
			return result;
		}
		else
		{
			Console.WriteLine($"獲取鎖失敗：{DateTime.Now}");
		}
	}
	return false;
}

  7. 呼叫介面測試

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       Parallel.For(1, 16, (i) =>
{
	var stopwatch = new Stopwatch();
	stopwatch.Start();
	var data = GetAsync($"http://localhost:5000/home/distributedLockTest").Result;
	stopwatch.Stop();
	Console.WriteLine($"ThreadId:{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}, Result:{data}, Time:{stopwatch.ElapsedMilliseconds}");
});

關於 RedLock 分散式鎖演演算法的爭議大家可以參考：

How to do distributed locking
Is Redlock safe?

總結

如果使用鎖，必然對效能上會有一定影響，我們需要根據實際場景來判斷是真正需要。在指定鎖過期時間時要相對合理，避免出現鎖已過期，但邏輯還沒執行完成，這樣就失去了鎖的意義，當然這種情況下我們還可以考慮重入鎖。

最後推薦一下微軟開源的一個基於 Actor 模型的分散式框架 Orleans，也可以達到分散式鎖的效果。

參考連結

  • Distributed locks with Redis
  • RedLock.net
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