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我的朋友

分类: 架构设计与优化

2023-02-07 16:14:54

作者:京东科技 张石磊

1 案例引入

名词简介:

资源:可以理解为一条内容,或者图+文字+链接的载体。

档位ID: 资源的分类组,资源必须归属于档位。

问题描述:当同一个档位下2条资源同时审批通过时,收到擎天审批系统2条消息,消费者应用部署了2台机器,此时正好由2台机器分别消费,在并发消费时,先更新资源状态,然后写缓存,每次取前100条资源,类似select * from resource where gear_id=xxx limit 100 order by id desc;

在写档位缓存,此时事务未提交,并发查询时根据档位Id查询时查询不到对方的数据,全量写缓存时导致后写的缓存覆盖了先写的缓存,即缓存被覆盖,导致投放资源缺失。

方案思考 :

方案1:一台机器消费mq–单点问题

方案2:将同档位ID的资源路由到同一个queue,需要审批系统配合根据档位Id做路由,审批系统发的消息不只是cms审批数据,此方案不适用。

方案3:在档位级别加分布式锁。

经比较,{BANNED}最佳终采用方案3是合适的方案.

2 锁说明和分布式锁选择

synchronized锁的粒度是JVM进程维度,集群模式下,不能对共享资源加锁,此时需要跨JVM进程的分布式锁。

分布式锁方式核心实现方式优点缺点分析

1 数据库:

悲观锁,lock

乐观锁,通过版本号实现version

实现简单,不依赖中间件

数据库IO瓶颈,性能差

单实例存在单点问题,主从架构存在数据不一致,主从切换时其他客户端可重复加锁。

2 zookeeper

创建临时节点

CP模型,可靠性高,不存在主从切换不一致问题

频繁创建和销毁临时节点,且

集群模式下,leader数据需要同步到follower才算加锁成功,性能不如redis

主从切换服务不可用

3 redis集群

setnx+expire

性能高

有封装好的框架redission

支持超时自动删除锁

集群支持高可用,AP模型

主从切换时其他客户端可重复加锁。

R2M是基于开源的Redis cluster(Redis 3.0以上版本)构建的高性能分布式缓存系统,我们系统一直在使用,3.2.5版本开始支持分布式锁。

3 r2m分布式锁原理

示例代码:

String lockKey = CacheKeyHelper.getGearLockKey(EnvEnum.getEnvFlagEnum(envCode),resource.getGearId());

R2mLock lock = (R2mLock) r2mClusterClient.getLock(lockKey); //获取锁,锁的默认有效期30s,获取不到锁就阻塞 lock.lock();

try { //业务代码 resourceService.afterApprovedHandle(resource);

}  finally { //释放锁 lock.unlock();

} 

1 加锁核心流程:

加锁流程图:

1):尝试获取锁,通过执行加锁Lua脚本来做;

2):若{BANNED}中国第一步未获取到锁,则去redis订阅解锁消息

3):一旦持有锁的线程释放了锁,就会广播解锁消息,其他线程自旋重新尝试获取锁。

核心加锁原理:使用lua脚本封装了hset和pexpire命令,保证是一个原子操作, KEYS[1]是加锁的key,argv[2]是加锁的客户端ID(UUID+线程ID),ARGV[1]是锁的有效期,默认30s.

private Object acquireInternal(List args) { if (!this.setLocked() && this.getHolderId() != Thread.currentThread().getId()) { return -1L;

} else { try { //hash结构,hash的key是加锁的key,键值对的key为客户端的UUID+线程id,value为锁的重入计数器值。 return this.lockSha() != null ? this.executor.evalR2mLockSha(this.lockSha(), "if (redis.call('exists', KEYS[1]) == 0) then redis.call('hset', KEYS[1], ARGV[2], 1); redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); return nil; end;

if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1); redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); return nil; end;

return -2;", Collections.singletonList(this.lockName), args) : this.executor. == 0) then redis.call('hset', KEYS[1], ARGV[2], 1); redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); return nil; end; if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[2], 1); redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); return nil; end; return -2;", Collections.singletonList(this.lockName), args);

} catch (Exception var3) {

this.setUnlocked();

throw new R2mLockException("Failed to acquire lock " + this.lockName + ".", var3);

}

}

} 

args参数

private List<String> acquireArgs(long leaseTime) {

        List<String> args = new ArrayList(); if (leaseTime != -1L) {

            args.add(String.valueOf(leaseTime));

        } else { //默认30s args.add(String.valueOf(this.internalLockLeaseTime()));

        } //UUID+当前线程id args.add(this.currentThreadLockId(Thread.currentThread().getId())); return args;

    }

? 

获取锁失败订阅锁的channel

//获取锁失败,订阅释放锁的消息 private boolean failedAcquire() { this.subLock(); return false;

        } private void subLock() {

            CompletableFuture<Void> cf = R2mLock.this.executor.lockSubscribe(R2mLock.this.lockPubSub(), R2mLock.this.getLockChannelName(), R2mLock.this); if (cf != null) {

                cf.handleAsync(this::reSubIfEx);

            }

 

        } 

锁释放后,订阅者通过自旋尝试获取锁。

//tryAcquire获取锁,!tryAcquire就是获取锁失败,锁释放后,通知线程唤醒后返回false,然后通过自旋,尝试获取锁,

public final void acquire(long arg) {

        if (!tryAcquire(arg) &&

            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))

            selfInterrupt(); }

 

 final boolean acquireQueued(final Node node, long arg) {

        boolean failed = true; try {

            boolean interrupted = false; //内部自旋获取锁

            for (;;) { final Node p = node.predecessor(); if (p == head && tryAcquire(arg)) {

                    setHead(node); p.next = null; // help GC failed = false; return interrupted; }

                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&

                    parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; }

        } finally {

            if (failed)

                cancelAcquire(node); }

    } 

2 释放锁核心逻辑:

1)删除分布式锁key(如果可重入锁计数为0)

  1. 发释放锁的广播消息

3)取消watchdog

private Object unlockInternal(List args) {

        logger.debug("{} trying to unlock.", Thread.currentThread().getId()); Object var2;

        try { //判断锁 key 是否存在,如果存在,然后递减hash的value值,当value值为0时再删除锁key,并且广播释放锁的消息 if (this.unlockSha() == null) {

                var2 = this.executor. == 0) then return nil;end; local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[3], -1); if (counter > 0) then return 0; else redis.call('del', KEYS[1]); redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); return 1; end; return nil;", Arrays.asList(this.lockName, this.getLockChannelName()), args);

                return var2;

            }

 

            var2 = this.executor.evalR2mLockSha(this.unlockSha(), "if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[3]) == 0) then return nil;end; local counter = redis.call('hincrby', KEYS[1], ARGV[3], -1); if (counter > 0) then return 0; else redis.call('del', KEYS[1]); redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); return 1; end; return nil;", Arrays.asList(this.lockName, this.getLockChannelName()), args);

        } catch (Exception var6) {

            throw new R2mLockException("Failed to unlock " + this.lockName + ".", var6);

        } finally {

            this.finalizeRelease();

        }

 

        return var2;

    } //取消当前线程的watchdog private void finalizeRelease() {

        long threadId = Thread.currentThread().getId();

        R2mLock.ExpirableEntry entry = (R2mLock.ExpirableEntry)this.entryCache.get(threadId);

        if (entry != null) {

            entry.release(threadId);

            if (entry.isReleased()) { //取消这个线程watchdog定时任务 entry.getExtTask().cancel();

                this.expEntry.compareAndSet(entry, (Object)null); //从缓存watchdog线程的map中删除该线程 this.entryCache.remove(threadId);

            }

        }

 

    } 

3 锁的健壮性思考

1 业务没执行完,锁超时过期怎么办?

客户端加锁默认有效期30s,超过有效期后如果业务没执行完,还需要持有这把锁,r2m客户端提供了续期机制,也就是watchdog机制。

watchdog原理:客户端线程维度(UUID+线程ID,客户端维护一个MAP,key就是UUID+线程ID)的后台定时线程,获取锁成功后,如果客户端还持有当前锁,每隔10s(this.internalLockLeaseTime() / 3L),去延长锁的有效期(internalLockLeaseTime)

//watchdog核心机制 ,internalLockLeaseTime默认30s private void extendLock(long holderId) { if (this.expEntry.get() != null) {

            R2mLock.ExpirableEntry holderEntry = (R2mLock.ExpirableEntry)this.entryCache.get(holderId); if (holderEntry != null) { //每隔10s,如果当前线程持有锁,则续期30s if (this.expEntry.compareAndSet(holderEntry, holderEntry)) {

                    Timeout task = this.timer().newTimeout((timeout) -> { if (this.extendLockInternal(holderId)) { this.extendLock(holderId);

                        }

 

                    }, this.internalLockLeaseTime() / 3L, TimeUnit.MILLISECONDS); if (this.expEntry.get() != null) {

                        ((R2mLock.ExpirableEntry)this.expEntry.get()).setExtTask(task);

                    }

                }

 

            }

        }

    } //执行续期lua脚本 private boolean extendLockInternal(long threadId) {

        Object result; try { //只续期 if (this.extendLockSha() != null) {

                result = this.executor.evalR2mLockSha(this.extendLockSha(), "if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); return 1; end; return 0;", Collections.singletonList(this.lockName), this.extendLockArgs(threadId));

            } else {

                result = this.executor. == 1) then redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); return 1; end; return 0;", Collections.singletonList(this.lockName), this.extendLockArgs(threadId));

            }

        } catch (Exception var5) {

            return false;

        }

 

        return Long.parseLong(result.toString()) == 1L;

    } 

2 客户端宕机,锁如何释放?

分布式锁是有效期的,客户端宕机后,watchdog机制失效,锁过期自动失效。

3 redis分布式锁集群模式下缺陷

r2m集群模式,极端情况,master加锁成功,宕机,还未来得及同步到slave,主从切换,slave切换成master,可以继续加锁,对于非及其严格加锁场景,该方案可满足,属于AP;对于严格场景下的分布式锁,可采用基于zookeeper的分布式锁,属于CP,leader宕机,folllower选举时不可用。性能上redis更优。

4 锁的释放问题

注意锁的释放在finally中释放,必须由锁的持有者释放,不能由其他线程释放别人的锁,示例代码中lock放到try的外面。

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