基于Consul的分布式锁实现

我们在构建分布式系统的时候,经常需要控制对共享资源的互斥访问。这个时候我们就涉及到分布式锁(也称为全局锁)的实现,基于目前的各种工具,我们已经有了大量的实现方式,比如:基于Redis的实现、基于Zookeeper的实现。本文将介绍一种基于Consul 的Key/Value存储来实现分布式锁以及信号量的方法。

分布式锁实现

基于Consul的分布式锁主要利用Key/Value存储API中的acquire和release操作来实现。acquire和release操作是类似Check-And-Set的操作:

  • acquire操作只有当锁不存在持有者时才会返回true,并且set设置的Value值,同时执行操作的session会持有对该Key的锁,否则就返回false
  • release操作则是使用指定的session来释放某个Key的锁,如果指定的session无效,那么会返回false,否则就会set设置Value值,并返回true

具体实现中主要使用了这几个Key/Value的API:

基本流程

具体实现

public class Lock {

private static final String prefix = "lock/"; // 同步锁参数前缀

private ConsulClient consulClient;
private String sessionName;
private String sessionId = null;
private String lockKey;

/**
*
* @param consulClient
* @param sessionName 同步锁的session名称
* @param lockKey 同步锁在consul的KV存储中的Key路径,会自动增加prefix前缀,方便归类查询
*/
public Lock(ConsulClient consulClient, String sessionName, String lockKey) {
this.consulClient = consulClient;
this.sessionName = sessionName;
this.lockKey = prefix + lockKey;
}

/**
* 获取同步锁
*
* @param block 是否阻塞,直到获取到锁为止
* @return
*/
public Boolean lock(boolean block) {
if (sessionId != null) {
throw new RuntimeException(sessionId + " - Already locked!");
}
sessionId = createSession(sessionName);
while(true) {
PutParams putParams = new PutParams();
putParams.setAcquireSession(sessionId);
if(consulClient.setKVValue(lockKey, "lock:" + LocalDateTime.now(), putParams).getValue()) {
return true;
} else if(block) {
continue;
} else {
return false;
}
}
}

/**
* 释放同步锁
*
* @return
*/
public Boolean unlock() {
PutParams putParams = new PutParams();
putParams.setReleaseSession(sessionId);
boolean result = consulClient.setKVValue(lockKey, "unlock:" + LocalDateTime.now(), putParams).getValue();
consulClient.sessionDestroy(sessionId, null);
return result;
}

/**
* 创建session
* @param sessionName
* @return
*/
private String createSession(String sessionName) {
NewSession newSession = new NewSession();
newSession.setName(sessionName);
return consulClient.sessionCreate(newSession, null).getValue();
}

}

单元测试

下面单元测试的逻辑:通过线程的方式来模拟不同的分布式服务来竞争锁。多个处理线程同时以阻塞方式来申请分布式锁,当处理线程获得锁之后,Sleep一段随机事件,以模拟处理业务逻辑,处理完毕之后释放锁。

public class TestLock {

private Logger logger = Logger.getLogger(getClass());

@Test
public void testLock() throws Exception {
new Thread(new LockRunner(1)).start();
new Thread(new LockRunner(2)).start();
new Thread(new LockRunner(3)).start();
new Thread(new LockRunner(4)).start();
new Thread(new LockRunner(5)).start();
Thread.sleep(200000L);
}

class LockRunner implements Runnable {

private Logger logger = Logger.getLogger(getClass());
private int flag;

public LockRunner(int flag) {
this.flag = flag;
}

@Override
public void run() {
Lock lock = new Lock(new ConsulClient(), "lock-session", "lock-key");
try {
if (lock.lock(true)) {
logger.info("Thread " + flag + " start!");
Thread.sleep(new Random().nextInt(3000L));
logger.info("Thread " + flag + " end!");
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}

}

单元测试执行结果如下:

2017-04-12 21:28:09,698 INFO  [Thread-0] LockRunner - Thread 1 start!
2017-04-12 21:28:12,717 INFO [Thread-0] LockRunner - Thread 1 end!
2017-04-12 21:28:13,219 INFO [Thread-2] LockRunner - Thread 3 start!
2017-04-12 21:28:15,672 INFO [Thread-2] LockRunner - Thread 3 end!
2017-04-12 21:28:15,735 INFO [Thread-1] LockRunner - Thread 2 start!
2017-04-12 21:28:17,788 INFO [Thread-1] LockRunner - Thread 2 end!
2017-04-12 21:28:18,249 INFO [Thread-4] LockRunner - Thread 5 start!
2017-04-12 21:28:19,573 INFO [Thread-4] LockRunner - Thread 5 end!
2017-04-12 21:28:19,757 INFO [Thread-3] LockRunner - Thread 4 start!
2017-04-12 21:28:21,353 INFO [Thread-3] LockRunner - Thread 4 end!

从测试结果我们可以看到,通过分布式锁的形式来控制并发时,多个同步操作只会有一个操作能够被执行,其他操作只有在等锁释放之后才有机会去执行,所以通过这样的分布式锁,我们可以控制共享资源同时只能被一个操作进行执行,以保障数据处理时的分布式并发问题。

优化建议

本文我们实现了基于Consul的简单分布式锁,但是在实际运行时,可能会因为各种各样的意外情况导致unlock操作没有得到正确地执行,从而使得分布式锁无法释放。所以为了更完善的使用分布式锁,我们还必须实现对锁的超时清理等控制,保证即使出现了未正常解锁的情况下也能自动修复,以提升系统的健壮性。那么如何实现呢?请持续关注我的后续分解!

参考文档

Key/Value的API:https://www.consul.io/api/kv.html

选举机制:https://www.consul.io/docs/guides/leader-election.html

实现代码