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使用Go实现可用select监听的队列

三月 26, 2021
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1. 背景与选型

和《基于Redis Cluster的分布式锁实现以互斥方式操作共享资源》一文一样，今天要说的Go队列方案也是有一定项目背景的。

5G消息方兴未艾！前一段时间从事了一段时间5G消息网关的研发，但凡涉及类似消息业务的网关，我们一般都离不开队列这种数据结构的支持。这个5G消息网关项目采用的是Go技术栈开发，那么我们应该如何为它选择一个与业务模型匹配且性能不差的实现呢？

如今一提到消息队列，大家第一个想到的一定是kafka，kafka的确是一款优秀的分布式队列中间件，但对于我们这个系统来说，它有些“重”，部署和运维都有门槛，并且项目组里也没有能很好维护它的专家，毕竟“可控”是技术选择的一个重要因素。除此之外，我们更想在Go技术栈的生态中挑选，但kafka是Java实现的。

Go圈里在性能上能与kafka“掰掰手腕”的成熟选手不多，nats以及其主持持久化的子项目nats-streaming算是其中两个。不过nats的消息送达模型是：At-least-once-delivery，即至少送一次（而没有kafka的精确送一次的送达模型)。一旦消费者性能下降，给nats server返回的应答超时，nats就会做消息的重发处理：即将消息重新加入到队列中。这与我们的业务模型不符，即便nats提供了发送超时的设定，但我们还是无法给出适当的timeout时间。Go圈里的另一个高性能分布式消息队列nsq采用的也是“至少送一次”的消息送达模型，因此也无法满足我们的业务需求。

我们的业务决定了我们需要的队列要支持“多生产者多消费者”模型，Go语言内置的channel也是一个不错的候选。经过多个Go版本的打磨和优化，channel的send和recv操作性能在一定数量goroutine的情况下已经可以满足很多业务场景的需求了。但channel还是不完全满足我们的业务需求。我们的系统要求尽可能将来自客户端的消息接收下来并缓存在队列中。即便下游发送性能变慢，也要将客户消息先收下来，而不是拒收或延迟响应。而channel本质上是一个具有“静态大小”的队列并且Go的channel操作语义会在channel buffer满的情况下阻塞对channel的继续send，这就与我们的场景要求有背离，即便我们使用buffered channel，我们也很难选择一个合适的len值，并且一旦buffer满，它与unbuffered channel行为无异。

这样一来，我们便选择自己实现一个简单的、高性能的满足业务要求的队列，并且最好能像channel那样可以被select监听到数据ready，而不是给消费者带去“心智负担” ：消费者采用轮询的方式查看队列中是否有数据。

2. 设计与实现方案

要设计和实现这样一个队列结构，我们需要解决三个问题：

实现队列这个数据结构；
实现多goroutine并发访问队列时对消费者和生产者的协调；
解决消费者使用select监听队列的问题。

我们逐一来看！

1) 基础队列结构实现来自一个未被Go项目采纳的技术提案

队列是最基础的数据结构，实现一个“先进先出(FIFO)”的练手queue十分容易，但实现一份能加入标准库、资源占用小且性能良好的queue并不容易。Christian Petrin在2018年10月份曾发起一份关于Go标准库加入queue实现的技术提案，提案对基于array和链表的多种queue实现进行详细的比对，并最终给出结论：impl7是最为适宜和有竞争力的标准库queue的候选者。虽然该技术提案目前尚未得到accept，但impl7足可以作为我们的内存队列的基础实现。

2) 为impl7添加并发支持

在性能敏感的领域，我们可以直接使用sync包提供的诸多同步原语来实现goroutine并发安全访问，这里也不例外，一个最简单的让impl7队列实现支持并发的方法就是使用sync.Mutex实现对队列的互斥访问。由于impl7并未作为一个独立的repo存在，我们将其代码copy到我们的实现中(queueimpl7.go)，并将其包名由queueimpl7改名为queue：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/queue-with-select/safe-queue1/queueimpl7.go

// Package queueimpl7 implements an unbounded, dynamically growing FIFO queue.
// Internally, queue store the values in fixed sized slices that are linked using
// a singly linked list.
// This implementation tests the queue performance when performing lazy creation of
// the internal slice as well as starting with a 1 sized slice, allowing it to grow
// up to 16 by using the builtin append function. Subsequent slices are created with
// 128 fixed size.
package queue

// Keeping below as var so it is possible to run the slice size bench tests with no coding changes.
var (
        // firstSliceSize holds the size of the first slice.
        firstSliceSize = 1

        // maxFirstSliceSize holds the maximum size of the first slice.
        maxFirstSliceSize = 16

        // maxInternalSliceSize holds the maximum size of each internal slice.
        maxInternalSliceSize = 128
)
... ...

下面我们就来为以queueimpl7为底层实现的queue增加并发访问支持：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/queue-with-select/safe-queue1/safe-queue.go

package queue

import (
    "sync"
)

type SafeQueue struct {
    q *Queueimpl7
    sync.Mutex
}

func NewSafe() *SafeQueue {
    sq := &SafeQueue{
        q: New(),
    }

    return sq
}

func (s *SafeQueue) Len() int {
    s.Lock()
    n := s.q.Len()
    s.Unlock()
    return n
}

func (s *SafeQueue) Push(v interface{}) {
    s.Lock()
    defer s.Unlock()

    s.q.Push(v)
}

func (s *SafeQueue) Pop() (interface{}, bool) {
    s.Lock()
    defer s.Unlock()
    return s.q.Pop()
}

func (s *SafeQueue) Front() (interface{}, bool) {
    s.Lock()
    defer s.Unlock()
    return s.q.Front()
}

我们建立一个新结构体SafeQueue，用于表示支持并发访问的Queue，该结构只是在queueimpl7的Queue的基础上嵌入了sync.Mutex。

3) 支持select监听

到这里支持并发的queue虽然实现了，但在使用上还存在一些问题，尤其是对消费者而言，它只能通过轮询的方式来检查队列中是否有消息。而Go并发范式中，select扮演着重要角色，如果能让SafeQueue像普通channel那样能支持select监听，那么消费者在使用时的心智负担将大大降低。于是我们得到了下面第二版的SafeQueue实现：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/queue-with-select/safe-queue2/safe-queue.go

package queue

import (
    "sync"
    "time"
)

const (
    signalInterval = 200
    signalChanSize = 10
)

type SafeQueue struct {
    q *Queueimpl7
    sync.Mutex
    C chan struct{}
}

func NewSafe() *SafeQueue {
    sq := &SafeQueue{
        q: New(),
        C: make(chan struct{}, signalChanSize),
    }

    go func() {
        ticker := time.NewTicker(time.Millisecond * signalInterval)
        defer ticker.Stop()
        for {
            select {
            case <-ticker.C:
                if sq.q.Len() > 0 {
                    // send signal to indicate there are message waiting to be handled
                    select {
                    case sq.C <- struct{}{}:
                        //signaled
                    default:
                        // not block this goroutine
                    }
                }
            }
        }

    }()

    return sq
}

func (s *SafeQueue) Len() int {
    s.Lock()
    n := s.q.Len()
    s.Unlock()
    return n
}

func (s *SafeQueue) Push(v interface{}) {
    s.Lock()
    defer s.Unlock()

    s.q.Push(v)
}

func (s *SafeQueue) Pop() (interface{}, bool) {
    s.Lock()
    defer s.Unlock()
    return s.q.Pop()
}

func (s *SafeQueue) Front() (interface{}, bool) {
    s.Lock()
    defer s.Unlock()
    return s.q.Front()
}

从上面代码看到，每个SafeQueue的实例会伴随一个goroutine，该goroutine会定期(signalInterval)扫描其所绑定的队列实例中当前消息数，如果大于0，则会向SafeQueue结构中新增的channel发送一条数据，作为一个“事件”。SafeQueue的消费者则可以通过select来监听该channel，待收到“事件”后调用SafeQueue的Pop方法获取队列数据。下面是一个SafeQueue的简单使用示例：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/queue-with-select/main.go
package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"

    queue "github.com/bigwhite/safe-queue/safe-queue2"
)

func main() {
    var q = queue.NewSafe()
    var wg sync.WaitGroup

    wg.Add(2)
    // 生产者
    go func() {
        for i := 0; i < 1000; i++ {
            time.Sleep(time.Second)
            q.Push(i + 1)

        }
        wg.Done()
    }()

    // 消费者
    go func() {
    LOOP:
        for {
            select {
            case <-q.C:
                for {
                    i, ok := q.Pop()
                    if !ok {
                        // no msg available
                        continue LOOP
                    }

                    fmt.Printf("%d\n", i.(int))
                }
            }

        }

    }()

    wg.Wait()
}

从支持SafeQueue的原理可以看到，当有多个消费者时，只有一个消费者能得到“事件”并开始消费。如果队列消息较少，只有一个消费者可以启动消费，这个机制也不会导致“惊群”；当队列中有源源不断的消费产生时，与SafeQueue绑定的goroutine可能会连续发送“事件”，多个消费者都会收到事件并启动消费行为。在这样的实现下，建议消费者在收到“事件”后持续消费，直到Pop的第二个返回值返回false(代表队列为空)，就像上面示例中的那样。

这个SafeQueue的性能“中规中矩”，比buffered channel略好(Go 1.16 darwin下跑的benchmark)：

$go test -bench .
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: github.com/bigwhite/safe-queue/safe-queue2
cpu: Intel(R) Core(TM) i5-8257U CPU @ 1.40GHz
BenchmarkParallelQueuePush-8                10687545           110.9 ns/op        32 B/op          1 allocs/op
BenchmarkParallelQueuePop-8                 18185744            55.58 ns/op        0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkParallelPushBufferredChan-8        10275184           127.1 ns/op        16 B/op          1 allocs/op
BenchmarkParallelPopBufferedChan-8          10168750           128.8 ns/op        16 B/op          1 allocs/op
BenchmarkParallelPushUnBufferredChan-8       3005150           414.9 ns/op        16 B/op          1 allocs/op
BenchmarkParallelPopUnBufferedChan-8         2987301           402.9 ns/op        16 B/op          1 allocs/op
PASS
ok      github.com/bigwhite/safe-queue/safe-queue2  11.209s

注：BenchmarkParallelQueuePop-8因为是读取空队列，所以没有分配内存，实际情况是会有内存分配的。另外并发goroutine的模拟差异可能导致有结果差异。

3. 扩展与问题

上面实现的SafeQueue是一个纯内存队列，一旦程序停止/重启，未处理的消息都将消失。一个传统的解决方法是采用wal(write ahead log)在推队列之前将消息持久化后写入文件，在消息出队列后将消息状态也写入wal文件中。这样重启程序时，从wal中恢复消息到各个队列即可。我们也可以将wal封装到SafeQueue的实现中，在SafeQueue的Push和Pop时自动操作wal，并对SafeQueue的使用者透明，不过这里有一个前提，那就是队列消息的可序列化（比如使用protobuf)。另外SafeQueue还需提供一个对外的wal消息恢复接口。大家可以考虑一下如何实现这些。

另外在上述的SafeQueue实现中，我们在给SafeQueue增加select监听时引入两个const：

const (
    signalInterval = 200
    signalChanSize = 10
)

对于SafeQueue的使用者而言，这两个默认值可能不满足需求，那么我们可以将SafeQueue的New方法做一些改造，采用“功能选项(functional option)”的模式为用户提供设置这两个值的可选接口，这个“作业”也留给大家了^_^。

本文所有示例代码可以在这里下载 – https://github.com/bigwhite/experiments/tree/master/queue-with-select。

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基于Redis Cluster的分布式锁实现以互斥方式操作共享资源

二月 13, 2021
0 条评论

img{512x368}

今天要说的技术方案也是有一定项目背景的。在上一个项目中，我们需要对一个redis集群中过期的key进行处理，这是一个分布式
系统，考虑到高可用性，需要具备过期处理功能的服务有多个副本，这样我们就要求在同一时间内仅有一个副本可以对过期的key>进行处理，如果该副本挂掉，系统会在其他副本中再挑选出一个来处理过期的key。

很显然，这里涉及到一个选主(leader election)的过程。每当涉及选主，很多人就会想到一些高大上的分布式一致性/共识算法，
比如：raft、paxos等。当然使用这
些算法自然没有问题，但是也给系统徒增了很多复杂性。能否有一些更简单直接的方案呢？我们已经有了一个redis集群，是否可>以利用redis集群的能力来完成这一点呢？

Redis原生并没有提供leader election算法，但Redis作者提供了分布式锁的算法，也就>是说我们可以用分布式锁来实现一个简单的选主功能，见下图：

img{512x368}

图：利用redis分布式锁实现选主

在上图中我们看到，只有持有锁的服务才具备操作数据的资格，也就是说持有锁的服务的角色是leader，而其他服务则继续尝试去持有锁，它们是follower的角色。

1. 基于单节点redis的分布式锁

在redis官方有关分布式锁算法的介绍页面中，作者给出了各种编程语言的推荐实现，而Go语言的推荐实现仅redsync这一种。在这篇短文中，我们就来使用redsync实现基于Redis分布式锁的选主方案。

在Go生态中，连接和操作redis的主流go客户端库有go-redis和redigo。最新的redsync版本底层redis driver既支持go-redis，也支持redigo，我个人日常使用最多的是go-redis这个客户端，这里我们就用go-redis。

redsync github主页中给出的例子是基于单redis node的分布式锁示例。下面我们也先以单redis节点来看看如何通过Redis的分布式锁实现我们的业务逻辑：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/redis-cluster-distributed-lock/standalone/main.go

     1  package main
     2
     3  import (
     4      "context"
     5      "log"
     6      "os"
     7      "os/signal"
     8      "sync"
     9      "sync/atomic"
    10      "syscall"
    11      "time"
    12
    13      goredislib "github.com/go-redis/redis/v8"
    14      "github.com/go-redsync/redsync/v4"
    15      "github.com/go-redsync/redsync/v4/redis/goredis/v8"
    16  )
    17
    18  const (
    19      redisKeyExpiredEventSubj = `__keyevent@0__:expired`
    20  )
    21
    22  var (
    23      isLeader  int64
    24      m         atomic.Value
    25      id        string
    26      mutexName = "the-year-of-the-ox-2021"
    27  )
    28
    29  func init() {
    30      if len(os.Args) < 2 {
    31          panic("args number is not correct")
    32      }
    33      id = os.Args[1]
    34  }
    35
    36  func tryToBecomeLeader() (bool, func() (bool, error), error) {
    37      client := goredislib.NewClient(&goredislib.Options{
    38          Addr: "localhost:6379",
    39      })
    40      pool := goredis.NewPool(client)
    41      rs := redsync.New(pool)
    42
    43      mutex := rs.NewMutex(mutexName)
    44
    45      if err := mutex.Lock(); err != nil {
    46          client.Close()
    47          return false, nil, err
    48      }
    49
    50      return true, func() (bool, error) {
    51          return mutex.Unlock()
    52      }, nil
    53  }
    54
    55  func doElectionAndMaintainTheStatus(quit <-chan struct{}) {
    56      ticker := time.NewTicker(time.Second * 5)
    57      var err error
    58      var ok bool
    59      var cf func() (bool, error)
    60
    61      c := goredislib.NewClient(&goredislib.Options{
    62          Addr: "localhost:6379",
    63      })
    64      defer c.Close()
    65      for {
    66          select {
    67          case <-ticker.C:
    68              if atomic.LoadInt64(&isLeader) == 0 {
    69                  ok, cf, err = tryToBecomeLeader()
    70                  if ok {
    71                      log.Printf("prog-%s become leader successfully\n", id)
    72                      atomic.StoreInt64(&isLeader, 1)
    73                      defer cf()
    74                  }
    75                  if !ok || err != nil {
    76                      log.Printf("prog-%s try to become leader failed: %s\n", id, err)
    77                  }
    78              } else {
    79                  log.Printf("prog-%s is the leader\n", id)
    80                  // update the lock live time and maintain the leader status
    81                  c.Expire(context.Background(), mutexName, 8*time.Second)
    82              }
    83          case <-quit:
    84              return
    85          }
    86      }
    87  }
    88
    89  func doExpire(quit <-chan struct{}) {
    90      // subscribe the expire event of redis
    91      c := goredislib.NewClient(&goredislib.Options{
    92          Addr: "localhost:6379"})
    93      defer c.Close()
    94
    95      ctx := context.Background()
    96      pubsub := c.Subscribe(ctx, redisKeyExpiredEventSubj)
    97      _, err := pubsub.Receive(ctx)
    98      if err != nil {
    99          log.Printf("prog-%s subscribe expire event failed: %s\n", id, err)
   100          return
   101      }
   102      log.Printf("prog-%s subscribe expire event ok\n", id)
   103
   104      // Go channel which receives messages from redis db
   105      ch := pubsub.Channel()
   106      for {
   107          select {
   108          case event := <-ch:
   109              key := event.Payload
   110              if atomic.LoadInt64(&isLeader) == 0 {
   111                  break
   112              }
   113              log.Printf("prog-%s 收到并处理一条过期消息[key:%s]", id, key)
   114          case <-quit:
   115              return
   116          }
   117      }
   118  }
   119
   120  func main() {
   121      var wg sync.WaitGroup
   122      wg.Add(2)
   123      var quit = make(chan struct{})
   124
   125      go func() {
   126          doElectionAndMaintainTheStatus(quit)
   127          wg.Done()
   128      }()
   129      go func() {
   130          doExpire(quit)
   131          wg.Done()
   132      }()
   133
   134      c := make(chan os.Signal, 1)
   135      signal.Notify(c, syscall.SIGINT, syscall.SIGTERM)
   136      _ = <-c
   137      close(quit)
   138      log.Printf("recv exit signal...")
   139      wg.Wait()
   140      log.Printf("program exit ok")
   141  }

上面示例代码比较长，但它很完整。我们一点点来看。

首先，我们看120~141行的main函数结构。在这个函数中，我们创建了两个新goroutine，main goroutine通过sync.WaitGroup等待这两个子goroutine的退出并使用quit channel模式(关于goroutine的并发模式的详解，可以参考我的专栏文章《Go并发模型和常见并发模式》)在收到系统信号(关于signal包的使用，请参见我的专栏文章《小心被kill！不要忽略对系统信号的处理》)后通知两个子goroutine退出。

接下来，我们逐个看两个子goroutine的执行逻辑。第一个goroutine执行的是doElectionAndMaintainTheStatus函数。该函数会持续尝试去持有分布式锁(tryToBecomeLeader)，一旦持有，它就变成了分布式系统中的leader角色；成为leader角色的副本会保持其角色状态(见81行)。

尝试持有分布式锁并成为leader是tryToBecomeLeader函数的主要职责，该函数直接使用了redsync包的算法，并利用与redis node建立的连接(NewClient)，尝试建立并持有分布式锁“the-year-of-the-ox-2021”。我们使用的是默认的锁属性，从redsync包的NewMutex方法源码，我们能看到锁默认属性如下：

// github.com/go-redsync/redsync/redsync.go

// NewMutex returns a new distributed mutex with given name.
func (r *Redsync) NewMutex(name string, options ...Option) *Mutex {
        m := &Mutex{
                name:         name,
                expiry:       8 * time.Second,
                tries:        32,
                delayFunc:    func(tries int) time.Duration { return 500 * time.Millisecond },
                genValueFunc: genValue,
                factor:       0.01,
                quorum:       len(r.pools)/2 + 1,
                pools:        r.pools,
        }
        for _, o := range options {
                o.Apply(m)
        }
        return m
}

我们看到锁有一个过期时间属性(expiry)，过期时间默认仅有8秒。问题来了：一旦锁过期了，那么情况会怎样？事实是一旦锁过期掉，在leader尚未解锁时，其follower也会加锁成功，因为原锁的key已经因过期而被删除掉了。长此以往，整个分布式系统就会存在多个自视为leader的进程，整个处理逻辑就乱了！

解决这个问题至少可以有三种方案：

方案1：将锁的expiry设置的很长，长到一旦某个服务持有了锁，不需担心锁过期的问题；
方案2：在所的默认expiry到期之前解锁，所有服务重新竞争锁；
方案3：一旦某个服务持有了锁，则需要定期重设锁的expiry时间，保证锁不会过期，直到该服务主动执行unlock。

方案1的问题在于，一旦持有锁的leader因意外异常退出并且尚未unlock，那么由于锁的过期时间超级长，其他follower依然无法持有锁而变成下一任leader，导致整个分布式系统的leader缺失，业务逻辑无法继续进行；

方案2其实是基于Redis分布式锁的常规使用方式，但对于像我这里的业务场景，频繁lock和unlock没必要，我只需要保证系统中有一个leader一直在处理过期event即可，在服务间轮流处理并非我的需求。但这个方案是一个可行的方案，代码逻辑清晰也简单。

方案3则是非常适合我的业务场景的方案，持有锁的leader通过定期(<8s)的更新锁的过期时间来保证锁的有效性，这样避免了leader频繁切换。这里我们就使用了这一方案，见78~82行，我们在定时器的帮助下，定期重新设置了锁的过期时间(8s)。

在上述示例代码中，我们用一个变量isLeader来标识该服务是否持有了锁，由于该变量被多个goroutine访问和修改，因此我们通过atomic包实现对其的原子访问以避免出现race问题。

最后，我们说说这段示例承载的业务逻辑(doExpire函数)。真正的业务逻辑由doExpire函数实现。它通过监听redis 0号库的key空间的过期事件实现对目标key的过期处理(这里并未体现这一点)。

subscribe的subject字符串为keyevent@0:expired，这个字符串的组成含义可以参考redis官方对notifications的说明，这里的字串表明我们要监听key事件，在0号数据库，事件类型是key过期。

当在0号数据库有key过期后，我们的订阅channel(105行)就会收到一个事件，通过event的Payload我们可以得到key的名称，后续我们可以根据key的名字来过滤掉我们不关心的key，而仅对期望的key做相应处理。

在默认配置下， redis的通知功能处于关闭状态。我们需要通过命令或在redis.conf中开启这一功能。

$redis-cli
127.0.0.1:6379> config set notify-keyspace-events KEx
OK

到这里，我们已经搞清楚了上面示例代码的原理，下面我们就来真实运行一次上面的代码，我们编译上面代码并启动三个实例：

$go build main.go
$./main 1
$./main 2
$./main 3

由于./main 1先启动，因此第一个启动的服务一般会先成为leader：

$main 1
2021/02/11 05:43:15 prog-1 subscribe expire event ok
2021/02/11 05:43:20 prog-1 become leader successfully
2021/02/11 05:43:25 prog-1 is the leader
2021/02/11 05:43:30 prog-1 is the leader

而其他两个服务会定期尝试去持有锁：

$main 2
2021/02/11 05:43:17 prog-2 subscribe expire event ok
2021/02/11 05:43:37 prog-2 try to become leader failed: redsync: failed to acquire lock
2021/02/11 05:43:53 prog-2 try to become leader failed: redsync: failed to acquire lock

$main 3
2021/02/11 05:43:18 prog-3 subscribe expire event ok
2021/02/11 05:43:38 prog-3 try to become leader failed: redsync: failed to acquire lock
2021/02/11 05:43:54 prog-3 try to become leader failed: redsync: failed to acquire lock

这时我们通过redis-cli在0号数据库中创建一个key1，过期时间5s：

$redis-cli
127.0.0.1:6379> setex key1 5 value1
OK

5s后，我们会在prog-1这个服务实例的输出日志中看到如下内容：

2021/02/11 05:43:50 prog-1 is the leader
2021/02/11 05:43:53 prog-1 收到并处理一条过期消息[key:key1]
2021/02/11 05:43:55 prog-1 is the leader

接下来，我们停掉prog-1：

2021/02/11 05:44:00 prog-1 is the leader
^C2021/02/11 05:44:01 recv exit signal...
redis: 2021/02/11 05:44:01 pubsub.go:168: redis: discarding bad PubSub connection: read tcp [::1]:56594->[::1]:6379: use of closed network connection
2021/02/11 05:44:01 program exit ok

在停掉prog-1后的瞬间，prog-2成功持有了锁，并成为leader：

2021/02/11 05:44:01 prog-2 become leader successfully
2021/02/11 05:44:01 prog-2 is the leader

我们再通过redis-cli在0号数据库中创建一个key2，过期时间5s：

$redis-cli
127.0.0.1:6379> setex key2 5 value2
OK

5s后，我们会在prog-2这个服务实例的输出日志中看到如下内容：

2021/02/11 05:44:17 prog-2 is the leader
2021/02/11 05:44:19 prog-2 收到并处理一条过期消息[key:key2]
2021/02/11 05:44:22 prog-2 is the leader

从运行的结果来看，该分布式系统的运行逻辑是符合我们的设计预期的。

2. 基于redis集群的分布式锁

上面，我们实现了基于单个redis节点的分布式锁的选主功能。在生产环境，我们很少会使用单节点的Redis，通常会使用Redis集群以保证高可用性。

最新的redsync已经支持了redis cluster(基于go-redis)。和单节点唯一不同的是，我们传递给redsync的pool所使用的与redis的连接由Client类型变为了ClusterClient类型：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/redis-cluster-distributed-lock/cluster/v1/main.go
const (
        redisClusterMasters      = "localhost:30001,localhost:30002,localhost:30003"
)

func main() {
    ... ...
        client := goredislib.NewClusterClient(&goredislib.ClusterOptions{
                Addrs: strings.Split(redisClusterMasters, ",")})
        defer client.Close()
    ... ...
}

我们在本地启动的redis cluster，三个master的地址分别为：localhost:30001、localhost:30002和localhost:30003。我们将master的地址组成一个逗号分隔的常量redisClusterMasters。

我们对上面单节点的代码做了改进，将Redis连接的创建放在了main中，并将client连接作为参数传递给各个goroutine的运行函数。下面是cluster版示例代码完整版(v1)：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/redis-cluster-distributed-lock/cluster/v1/main.go

     1  package main
     2
     3  import (
     4      "context"
     5      "log"
     6      "os"
     7      "os/signal"
     8      "strings"
     9      "sync"
    10      "sync/atomic"
    11      "syscall"
    12      "time"
    13
    14      goredislib "github.com/go-redis/redis/v8"
    15      "github.com/go-redsync/redsync/v4"
    16      "github.com/go-redsync/redsync/v4/redis/goredis/v8"
    17  )
    18
    19  const (
    20      redisKeyExpiredEventSubj = `__keyevent@0__:expired`
    21      redisClusterMasters      = "localhost:30001,localhost:30002,localhost:30003"
    22  )
    23
    24  var (
    25      isLeader  int64
    26      m         atomic.Value
    27      id        string
    28      mutexName = "the-year-of-the-ox-2021"
    29  )
    30
    31  func init() {
    32      if len(os.Args) < 2 {
    33          panic("args number is not correct")
    34      }
    35      id = os.Args[1]
    36  }
    37
    38  func tryToBecomeLeader(client *goredislib.ClusterClient) (bool, func() (bool, error), error) {
    39      pool := goredis.NewPool(client)
    40      rs := redsync.New(pool)
    41
    42      mutex := rs.NewMutex(mutexName)
    43
    44      if err := mutex.Lock(); err != nil {
    45          return false, nil, err
    46      }
    47
    48      return true, func() (bool, error) {
    49          return mutex.Unlock()
    50      }, nil
    51  }
    52
    53  func doElectionAndMaintainTheStatus(c *goredislib.ClusterClient, quit <-chan struct{}) {
    54      ticker := time.NewTicker(time.Second * 5)
    55      var err error
    56      var ok bool
    57      var cf func() (bool, error)
    58
    59      for {
    60          select {
    61          case <-ticker.C:
    62              if atomic.LoadInt64(&isLeader) == 0 {
    63                  ok, cf, err = tryToBecomeLeader(c)
    64                  if ok {
    65                      log.Printf("prog-%s become leader successfully\n", id)
    66                      atomic.StoreInt64(&isLeader, 1)
    67                      defer cf()
    68                  }
    69                  if !ok || err != nil {
    70                      log.Printf("prog-%s try to become leader failed: %s\n", id, err)
    71                  }
    72              } else {
    73                  log.Printf("prog-%s is the leader\n", id)
    74                  // update the lock live time and maintain the leader status
    75                  c.Expire(context.Background(), mutexName, 8*time.Second)
    76              }
    77          case <-quit:
    78              return
    79          }
    80      }
    81  }
    82
    83  func doExpire(c *goredislib.ClusterClient, quit <-chan struct{}) {
    84      // subscribe the expire event of redis
    85      ctx := context.Background()
    86      pubsub := c.Subscribe(ctx, redisKeyExpiredEventSubj)
    87      _, err := pubsub.Receive(ctx)
    88      if err != nil {
    89          log.Printf("prog-%s subscribe expire event failed: %s\n", id, err)
    90          return
    91      }
    92      log.Printf("prog-%s subscribe expire event ok\n", id)
    93
    94      // Go channel which receives messages from redis db
    95      ch := pubsub.Channel()
    96      for {
    97          select {
    98          case event := <-ch:
    99              key := event.Payload
   100              if atomic.LoadInt64(&isLeader) == 0 {
   101                  break
   102              }
   103              log.Printf("prog-%s 收到并处理一条过期消息[key:%s]", id, key)
   104          case <-quit:
   105              return
   106          }
   107      }
   108  }
   109
   110  func main() {
   111      var wg sync.WaitGroup
   112      wg.Add(2)
   113      var quit = make(chan struct{})
   114      client := goredislib.NewClusterClient(&goredislib.ClusterOptions{
   115          Addrs: strings.Split(redisClusterMasters, ",")})
   116      defer client.Close()
   117
   118      go func() {
   119          doElectionAndMaintainTheStatus(client, quit)
   120          wg.Done()
   121      }()
   122      go func() {
   123          doExpire(client, quit)
   124          wg.Done()
   125      }()
   126
   127      c := make(chan os.Signal, 1)
   128      signal.Notify(c, syscall.SIGINT, syscall.SIGTERM)
   129      _ = <-c
   130      close(quit)
   131      log.Printf("recv exit signal...")
   132      wg.Wait()
   133      log.Printf("program exit ok")
   134  }

和单一节点一样，我们运行三个服务实例：

$go build main.go
$main 1
2021/02/11 09:49:16 prog-1 subscribe expire event ok
2021/02/11 09:49:22 prog-1 become leader successfully
2021/02/11 09:49:26 prog-1 is the leader
2021/02/11 09:49:31 prog-1 is the leader
2021/02/11 09:49:36 prog-1 is the leader
... ...

$main 2
2021/02/11 09:49:19 prog-2 subscribe expire event ok
2021/02/11 09:49:40 prog-2 try to become leader failed: redsync: failed to acquire lock
2021/02/11 09:49:55 prog-2 try to become leader failed: redsync: failed to acquire lock
... ...

$main 3
2021/02/11 09:49:31 prog-3 subscribe expire event ok
2021/02/11 09:49:52 prog-3 try to become leader failed: redsync: failed to acquire lock
2021/02/11 09:50:07 prog-3 try to become leader failed: redsync: failed to acquire lock
... ...

我们看到基于Redis集群版的分布式锁也生效了！prog-1成功持有锁并成为leader! 接下来我们再来看看对过期key事件的处理！

我们通过下面命令让redis-cli连接到集群中的所有节点并设置每个节点开启key空间的事件通知：

三主：

$redis-cli -c -h localhost -p 30001
localhost:30001> config set notify-keyspace-events KEx
OK

$redis-cli -c -h localhost -p 30002
localhost:30002> config set notify-keyspace-events KEx
OK

$redis-cli -c -h localhost -p 30003
localhost:30003> config set notify-keyspace-events KEx
OK

三从：

$redis-cli -c -h localhost -p 30004
localhost:30004> config set notify-keyspace-events KEx
OK

$redis-cli -c -h localhost -p 30005
localhost:30005> config set notify-keyspace-events KEx
OK

$redis-cli -c -h localhost -p 30006
localhost:30006> config set notify-keyspace-events KEx
OK

在node1节点上，我们set一个有效期为5s的key：key1：

localhost:30001> setex key1 5 value1
-> Redirected to slot [9189] located at 127.0.0.1:30002
OK

等待5s后，我们的leader：prog-1并没有如预期那样受到expire通知！这是怎么回事呢？追本溯源，我们查看一下redis官方文档关于notifications的说明，我们在文档最后一段找到如下描述：

Events in a cluster

Every node of a Redis cluster generates events about its own subset of the keyspace as described above. However, unlike regular Pub/Sub communication in a cluster, events' notifications are not broadcasted to all nodes. Put differently, keyspace events are node-specific. This means that to receive all keyspace events of a cluster, clients need to subscribe to each of the nodes.

这段话大致意思是Redis集群中的每个redis node都有自己的keyspace，事件通知不会被广播到集群内的所有节点，即keyspace的事件是node相关的。如果要接收一个集群中的所有keyspace的event，那客户端就需要Subcribe集群内的所有节点。我们来改一下代码，形成v2版(考虑到篇幅就不列出所有代码了，仅列出相对于v1版变化的代码)：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/redis-cluster-distributed-lock/cluster/v2/main.go

... ...
    19  const (
    20      redisKeyExpiredEventSubj = `__keyevent@0__:expired`
    21      redisClusterMasters      = "localhost:30001,localhost:30002,localhost:30003,localhost:30004,localhost:30005,localhost:30006"
    22  )
... ...
    83  func doExpire(quit <-chan struct{}) {
    84      var ch = make(chan *goredislib.Message)
    85      nodes := strings.Split(redisClusterMasters, ",")
    86
    87      for _, node := range nodes {
    88          node := node
    89          go func(quit <-chan struct{}) {
    90              c := goredislib.NewClient(&goredislib.Options{
    91                  Addr: node})
    92              defer c.Close()
    93
    94              // subscribe the expire event of redis
    95              ctx := context.Background()
    96              pubsub := c.Subscribe(ctx, redisKeyExpiredEventSubj)
    97              _, err := pubsub.Receive(ctx)
    98              if err != nil {
    99                  log.Printf("prog-%s subscribe expire event of node[%s] failed: %s\n",
   100                      id, node, err)
   101                  return
   102              }
   103              log.Printf("prog-%s subscribe expire event of node[%s] ok\n", id, node)
   104
   105              // Go channel which receives messages from redis db
   106              pch := pubsub.Channel()
   107
   108              for {
   109                  select {
   110                  case event := <-pch:
   111                      ch <- event
   112                  case <-quit:
   113                      return
   114                  }
   115              }
   116          }(quit)
   117      }
   118      for {
   119          select {
   120          case event := <-ch:
   121              key := event.Payload
   122              if atomic.LoadInt64(&isLeader) == 0 {
   123                  break
   124              }
   125              log.Printf("prog-%s 收到并处理一条过期消息[key:%s]", id, key)
   126          case <-quit:
   127              return
   128          }
   129      }
   130  }
   131
   132  func main() {
   133      var wg sync.WaitGroup
   134      wg.Add(2)
   135      var quit = make(chan struct{})
   136      client := goredislib.NewClusterClient(&goredislib.ClusterOptions{
   137          Addrs: strings.Split(redisClusterMasters, ",")})
   138      defer client.Close()
   139
   140      go func() {
   141          doElectionAndMaintainTheStatus(client, quit)
   142          wg.Done()
   143      }()
   144      go func() {
   145          doExpire(quit)
   146          wg.Done()
   147      }()
   148
   149      c := make(chan os.Signal, 1)
   150      signal.Notify(c, syscall.SIGINT, syscall.SIGTERM)
   151      _ = <-c
   152      close(quit)
   153      log.Printf("recv exit signal...")
   154      wg.Wait()
   155      log.Printf("program exit ok")
   156  }

在这个新版代码中，我们在每个新goroutine中实现对redis一个节点的Subscribe，并将收到的Event notifications通过“扇入”模式(更多关于并发扇入模式的内容，可以参考我的Go技术专栏文章《Go并发模型和常见并发模式》)统一写入到运行doExpire的goroutine中做统一处理。

我们再来运行一下这个示例，并在不同时机创建多个key来验证通知接收和处理的效果：

$main 1
2021/02/11 10:29:21 prog-1 subscribe expire event of node[localhost:30004] ok
2021/02/11 10:29:21 prog-1 subscribe expire event of node[localhost:30001] ok
2021/02/11 10:29:21 prog-1 subscribe expire event of node[localhost:30006] ok
2021/02/11 10:29:21 prog-1 subscribe expire event of node[localhost:30002] ok
2021/02/11 10:29:21 prog-1 subscribe expire event of node[localhost:30003] ok
2021/02/11 10:29:21 prog-1 subscribe expire event of node[localhost:30005] ok
2021/02/11 10:29:26 prog-1 become leader successfully
2021/02/11 10:29:31 prog-1 is the leader
2021/02/11 10:29:36 prog-1 is the leader
2021/02/11 10:29:41 prog-1 is the leader
2021/02/11 10:29:46 prog-1 is the leader
2021/02/11 10:29:47 prog-1 收到并处理一条过期消息[key:key1]
2021/02/11 10:29:51 prog-1 is the leader
2021/02/11 10:29:51 prog-1 收到并处理一条过期消息[key:key2]
2021/02/11 10:29:56 prog-1 收到并处理一条过期消息[key:key3]
2021/02/11 10:29:56 prog-1 is the leader
2021/02/11 10:30:01 prog-1 is the leader
2021/02/11 10:30:06 prog-1 is the leader
^C2021/02/11 10:30:08 recv exit signal...

$main 3
2021/02/11 10:29:27 prog-3 subscribe expire event of node[localhost:30004] ok
2021/02/11 10:29:27 prog-3 subscribe expire event of node[localhost:30006] ok
2021/02/11 10:29:27 prog-3 subscribe expire event of node[localhost:30002] ok
2021/02/11 10:29:27 prog-3 subscribe expire event of node[localhost:30001] ok
2021/02/11 10:29:27 prog-3 subscribe expire event of node[localhost:30005] ok
2021/02/11 10:29:27 prog-3 subscribe expire event of node[localhost:30003] ok
2021/02/11 10:29:48 prog-3 try to become leader failed: redsync: failed to acquire lock
2021/02/11 10:30:03 prog-3 try to become leader failed: redsync: failed to acquire lock
2021/02/11 10:30:08 prog-3 become leader successfully
2021/02/11 10:30:08 prog-3 is the leader
2021/02/11 10:30:12 prog-3 is the leader
2021/02/11 10:30:17 prog-3 is the leader
2021/02/11 10:30:22 prog-3 is the leader
2021/02/11 10:30:23 prog-3 收到并处理一条过期消息[key:key4]
2021/02/11 10:30:27 prog-3 is the leader
^C2021/02/11 10:30:28 recv exit signal...

$main 2
2021/02/11 10:29:24 prog-2 subscribe expire event of node[localhost:30005] ok
2021/02/11 10:29:24 prog-2 subscribe expire event of node[localhost:30006] ok
2021/02/11 10:29:24 prog-2 subscribe expire event of node[localhost:30003] ok
2021/02/11 10:29:24 prog-2 subscribe expire event of node[localhost:30004] ok
2021/02/11 10:29:24 prog-2 subscribe expire event of node[localhost:30002] ok
2021/02/11 10:29:24 prog-2 subscribe expire event of node[localhost:30001] ok
2021/02/11 10:29:45 prog-2 try to become leader failed: redsync: failed to acquire lock
2021/02/11 10:30:01 prog-2 try to become leader failed: redsync: failed to acquire lock
2021/02/11 10:30:16 prog-2 try to become leader failed: redsync: failed to acquire lock
2021/02/11 10:30:28 prog-2 become leader successfully
2021/02/11 10:30:28 prog-2 is the leader
2021/02/11 10:30:29 prog-2 is the leader
2021/02/11 10:30:34 prog-2 is the leader
2021/02/11 10:30:39 prog-2 收到并处理一条过期消息[key:key5]
2021/02/11 10:30:39 prog-2 is the leader
^C2021/02/11 10:30:41 recv exit signal...

这个运行结果如预期！

不过这个方案显然也不是那么理想，毕竟我们要单独Subscribe每个集群内的redis节点，目前没有理想方案，除非redis cluster支持带广播的Event notification。

以上示例代码可以在这里 https://github.com/bigwhite/experiments/tree/master/redis-cluster-distributed-lock 下载。

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