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分布式 - Distributed Lock Manager

本节主要介绍分布式单元化技术架构的内容。

参考资料

为什么需要锁 ———— > 保证一致性

比如，对于一个订单，买家取消订单、商家发货这两个动作，先后顺序不一样，走的流程也不一致。

锁的类型

  • 数据库锁(Database Lock)
  • 应用Sharding(Shard Application)
  • 中心分布式锁(Centralized Distributed Lock Manager)

DB Lock

以MySQL InnoDB Lock举例：

  1. 共享锁(Shared Lock)：我在写，别人可以读 SELECT * LOCK IN SHARED MODE

  2. 排他锁(Exclusive Lock)：我在写，别人不可以读。 SELECT ... FOR UPDATE

  3. 乐观锁(Versioning Optimistic Lock)：用版本控制

乐观锁性能高，但是失败时可能需要不停访问数据库。

Shard模式

流程：

  • 将数据分片到不同的节点。
  • 数据的索引交给索引服务器(indices)，索引服务器前面是两个Gateway。
  • Gateway通过数据发现，对数据(Order A)全部转向同一个节点上。
  • 对同一个节点上的数据，可以使用多线程的一些方法(比如Mutex)来锁处理数据。

当前方法的问题：

  • 存在热点数据
  • 扩节点时需要reshard所有数据

由此，我们使用一致性哈希(Consistent Hash)。

Shard问题

  • 热点数据
  • 多个数据的问题(Multiple Entities Transaction): 比如从A账户转账到B账户
  • 节点失效时的数据复制倒置的一致性问题：R+W>N –> CAP理论 (NRW: 读的节点与写的节点大于N节点：写过半时是强一致性的，如果写未过半，此时是AP系统，需要自己Merge)

Distributed Lock Manager

https://en.wikipedia.org/wiki/Distributed_lock_manager

DLM：分布式锁管理器，由他统一管理锁。需要注意的是，DLM一定要能对锁进行持久化，否则容易造成数据丢失。

  1. 要提供锁的租约机制：防止加锁后，持有锁的对象不释放锁。
  2. Lock Manager需要高可用，没有单点故障，锁状态可持久化。
  3. 死锁检测：
    • 锁过期(Lock expired)
    • 保活心跳(Keepalive heart beats)

DLM Lock Modes

lock modes

上面是Wikipedia中的6种锁模型：

  1. 无锁
  2. 并发读
  3. 并发写
  4. 保护读
  5. 保护写
  6. 排他锁

前三个没什么，主要是后面三个。

Redlock

https://redis.io/topics/distlock

算法：

  1. 客户端获取当前时间（精确到毫秒）；
  2. 客户端按照顺序请求N个实例的锁。对这N个实例上锁时使用相同的key名称与随机值，随机值需要是唯一的；
  3. 当获得的锁节点的数量大于半数，且消耗的时间(elapsed time) < 锁有效的时间(lock validity time)；
  4. 锁实际有效时间=初始有效时间 - 消耗时间(Actual lock validity time = initial validity time - elapsed time)：这是为了让锁同时失效，而不是参差不齐的时间点失效；
  5. 如果获取锁失败了，尝试释放掉所有实例。

redlock存在一些问题：

  1. 节点C存在时间跳变导致的锁过期失效；
  2. 客户端1获取节点C的锁后挂起，在对应锁失效后又恢复了；
  3. 客户端1 与节点C的通信存在很大的网络延迟。

Martin Kleppmann(写DDIA的老哥) 提出上面的挑战后，给了一个非常著名的结论：

the algorithm makes dangerous assumptions about timing and system clocks(算法依据时间和系统时钟不靠谱)

同时,给出了一个如何实现分布式锁的文章：How to do distributed locking (opens new window).

可以使用fencing token的方案：

该方案需要锁服务与数据配合，锁服务提供token，数据对token进行单调性验证。本质上是一个乐观锁，而且需要数据存储侧配合，比较复杂。

于是Redis作者Antirez做出了回应：

TL;DR http://antirez.com/news/101

  • 用这个方案还要分布式锁干啥，直接用乐观锁不就行了(Fencing is great, with this, no need distributed lock!)
  • 时钟跳变是个大问题，Redlock搞不定(Clock jump is a big problem, Redlock cannot work correctly under this problem.)
  • Redlock能搞定网络延时和客户端挂起的问题(For network delay & client hangs, they all will be fine.)

Antirez最后说，分布式锁做的最好的是Zookeeper。

Zookeeper

https://zookeeper.apache.org/doc/r3.1.2/recipes.html

上面的连接给了几个比较厉害的Zookeeper用法，包含了分布式锁。

  • 在_locknode/lock-下创建顺序临时节点(Create _locknode/lock- with Sequence & Ephemeral flag)
  • 这些节点看是不是节点下最小的(Get children to see to check if I am the lowest sequence number)
    • Yes. Get the Lock
    • No. Set the watch zk lock

Google Chubby

  • 两个组件：Master & Client SDK
  • 集群：典型的5个节点
  • 副本：使用Paxos来选主与副本
  • Failover：Master失败后，其他副本进行选举
  • Session & Keepalive
    • 客户端请求或结束session
    • 租约间隔与租约释放
  • 性能一般

除了论文，还可看这个进行了解：https://www.slideshare.net/romain_jacotin/the-google-chubby-lock-service-for-looselycoupled-distributed-systems

需要说明，为了防止脑裂，每个master使用不同的周期。每次client连接新的master时，需要协商获取周期。

总结

  • Concurrent transaction need be synchronized
    • DB Lock is fine, but the Optimistic Lock is great.
    • Sharding the data cannot solve the all of problem
  • Distributed Lock Service need the following features:
    • High Availability
      • Data Replicas - strong consistent protocol – Pasox, Raft, zab
      • Master Failover – Leader election
    • Deadlock Detection
      • Keepalive & Lease Timeout

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