Golang分布式应用之Redis怎么使用

正文

Redis作是一个高性能的内存数据库，常被应用于分布式系统中，除了作为分布式缓存或简单的内存数据库还有一些特殊的应用场景，本文结合Golang来编写对应的中间件。

分布式锁

单机系统中我们可以使用sync.Mutex来保护临界资源，在分布式系统中同样有这样的需求，当多个主机抢占同一个资源，需要加对应的“分布式锁”。

在Redis中我们可以通过setnx命令来实现

• 如果key不存在可以设置对应的值，设置成功则加锁成功，key不存在返回失败

• 释放锁可以通过del实现。

主要逻辑如下：

type RedisLock struct {
	client     *redis.Client
	key        string
	expiration time.Duration // 过期时间，防止宕机或者异常
}
func NewLock(client *redis.Client, key string, expiration time.Duration) *RedisLock {
	return &RedisLock{
		client:     client,
		key:        key,
		expiration: expiration,
	}
}
// 加锁将成功会将调用者id保存到redis中
func (l *RedisLock) Lock(id string) (bool, error) {
	return l.client.SetNX(context.TODO(), l.key, id, l.expiration).Result()
}
const unLockScript = `
if (redis.call("get", KEYS[1]) == KEYS[2]) then
	redis.call("del", KEYS[1])
	return true
end
return false
`
// 解锁通过lua脚本来保证原子性，只能解锁当前调用者加的锁
func (l *RedisLock) UnLock(id string) error {
	_, err := l.client.Eval(context.TODO(), unLockScript, []string{l.key, id}).Result()
	if err != nil && err != redis.Nil {
		return err
	}
	return nil
}

为了防止系统宕机或异常请求导致的死锁，需要添加一个额外的超时时间，该超时时间应设为最大估计运行时间的两倍。

解锁时通过lua脚本来保证原子性，调用者只会解自己加的锁。避免由于超时造成的混乱，例如：进程A在时间t1获取了锁，但由于执行缓慢，在时间t2锁超时失效，进程B在t3获取了锁，这是如果进程A执行完去解锁会取消进程B的锁。

运行测试

func main() {
    client := redis.NewClient(&redis.Options{
		Addr:     "localhost:6379",
		Password: "123456",
		DB:       0, // use default DB
	})
	lock := NewLock(client, "counter", 30*time.Second)
    counter := 0
	worker := func(i int) {
		for {
			id := fmt.Sprintf("worker%d", i)
			ok, err := lock.Lock(id)
			log.Printf("worker %d attempt to obtain lock, ok: %v, err: %v", i, ok, err)
			if !ok {
				time.Sleep(100 * time.Millisecond)
				continue
			}
			defer lock.UnLock(id)
			counter++
			log.Printf("worker %d, add counter %d", i, counter)
			break
		}
	}
	wg := sync.WaitGroup{}
	for i := 1; i <= 5; i++ {
		wg.Add(1)
		id := i
		go func() {
			defer wg.Done()
			worker(id)
		}()
	}
	wg.Wait()
}

运行结果，可以看到与sync.Mutex使用效果类似

2022/07/22 09:58:09 worker 5 attempt to obtain lock, ok: true, err:
2022/07/22 09:58:09 worker 5, add counter 1
2022/07/22 09:58:09 worker 4 attempt to obtain lock, ok: false, err:
2022/07/22 09:58:09 worker 1 attempt to obtain lock, ok: false, err:
2022/07/22 09:58:09 worker 2 attempt to obtain lock, ok: false, err:
2022/07/22 09:58:09 worker 3 attempt to obtain lock, ok: false, err:
2022/07/22 09:58:10 worker 3 attempt to obtain lock, ok: false, err:
2022/07/22 09:58:10 worker 1 attempt to obtain lock, ok: false, err:
2022/07/22 09:58:10 worker 2 attempt to obtain lock, ok: false, err:
2022/07/22 09:58:10 worker 4 attempt to obtain lock, ok: true, err:
2022/07/22 09:58:10 worker 4, add counter 2
2022/07/22 09:58:10 worker 1 attempt to obtain lock, ok: true, err:
2022/07/22 09:58:10 worker 1, add counter 3
2022/07/22 09:58:10 worker 3 attempt to obtain lock, ok: false, err:
2022/07/22 09:58:10 worker 2 attempt to obtain lock, ok: false, err:
2022/07/22 09:58:10 worker 2 attempt to obtain lock, ok: true, err:
2022/07/22 09:58:10 worker 2, add counter 4
2022/07/22 09:58:10 worker 3 attempt to obtain lock, ok: false, err:
2022/07/22 09:58:10 worker 3 attempt to obtain lock, ok: true, err:
2022/07/22 09:58:10 worker 3, add counter 5

特别注意的是，在分布式Redis集群中，如果发生异常时(主节点宕机)，可能会降低分布式锁的可用性，可以通过强一致性的组件etcd、ZooKeeper等实现。

分布式过滤器

假设要开发一个爬虫服务，爬取百万级的网页，怎么判断某一个网页是否爬取过，除了借助数据库和HashMap，我们可以借助布隆过滤器来做。相对于其他方法，布隆过滤器占用空间非常少，且插入和查询时间非常快。

布隆过滤器用来判断某个元素是否在集合中，利用BitSet

• 插入数据时将值进行多次Hash，将BitSet对应位置1

• 查询时同样进行多次Hash对比所有位上是否为1，如是则存在。

布隆过滤器有一定的误判率，不适合精确查询的场景。另外也不支持删除元素。通常适用于URL去重、垃圾邮件过滤、防止缓存击穿等场景中。

在Redis中，我们可以使用自带的BitSet实现，同样也借助lua脚本的原子性来避免多次查询数据不一致。

const (
	// 插入数据，调用setbit设置对应位
	setScript = `
for _, offset in ipairs(ARGV) do
	redis.call("setbit", KEYS[1], offset, 1)
end
`
	// 查询数据，如果所有位都为1返回true
	getScript = `
for _, offset in ipairs(ARGV) do
	if tonumber(redis.call("getbit", KEYS[1], offset)) == 0 then
		return false
	end
end
return true
`
)
type BloomFilter struct {
	client *redis.Client
	key    string // 存在redis中的key
	bits   uint // BitSet的大小
	maps   uint // Hash的次数
}
func NewBloomFilter(client *redis.Client, key string, bits, maps uint) *BloomFilter {
	client.Del(context.TODO(), key)
	if maps == 0 {
		maps = 14
	}
	return &BloomFilter{
		key:    key,
		client: client,
		bits:   bits,
		maps:   maps,
	}
}
// 进行多次Hash, 得到位置列表
func (f *BloomFilter) getLocations(data []byte) []uint {
	locations := make([]uint, f.maps)
	for i := 0; i < int(f.maps); i++ {
		val := murmur3.Sum64(append(data, byte(i)))
		locations[i] = uint(val) % f.bits
	}
	return locations
}
func (f *BloomFilter) Add(data []byte) error {
	args := getArgs(f.getLocations(data))
	_, err := f.client.Eval(context.TODO(), setScript, []string{f.key}, args).Result()
	if err != nil && err != redis.Nil {
		return err
	}
	return nil
}
func (f *BloomFilter) Exists(data []byte) (bool, error) {
	args := getArgs(f.getLocations(data))
	resp, err := f.client.Eval(context.TODO(), getScript, []string{f.key}, args).Result()
	if err != nil {
		if err == redis.Nil {
			return false, nil
		}
		return false, err
	}
	exists, ok := resp.(int64)
	if !ok {
		return false, nil
	}
	return exists == 1, nil
}
func getArgs(locations []uint) []string {
	args := make([]string, 0)
	for _, l := range locations {
		args = append(args, strconv.FormatUint(uint64(l), 10))
	}
	return args
}

运行测试

func main() {
	bf := NewBloomFilter(client,"bf-test", 2^16, 14)
	exists, err := bf.Exists([]byte("test1"))
	log.Printf("exist %t, err %v", exists, err)
	if err := bf.Add([]byte("test1")); err != nil {
		log.Printf("add err: %v", err)
	}
	exists, err = bf.Exists([]byte("test1"))
	log.Printf("exist %t, err %v", exists, err)
	exists, err = bf.Exists([]byte("test2"))
	log.Printf("exist %t, err %v", exists, err)
// output
// 2022/07/22 10:05:58 exist false, err <nil>
// 2022/07/22 10:05:58 exist true, err <nil>
// 2022/07/22 10:05:58 exist false, err <nil>
}

分布式限流器

在golang.org/x/time/rate包中提供了基于令牌桶的限流器，如果要实现分布式环境的限流可以基于Redis Lua脚本实现。

令牌桶的主要原理如下：

• 假设一个令牌桶容量为burst，每秒按照qps的速率往里面放置令牌

• 初始时放满令牌，令牌溢出则直接丢弃，请求令牌时，如果桶中有足够令牌则允许，否则拒绝

• 当burst==qps时，严格按照qps限流；当burst>qps时，可以允许一定的突增流量

这里主要参考了官方rate包的实现，将核心逻辑改为Lua实现。

--- 相关Key
--- limit rate key值，对应value为当前令牌数
local limit_key = KEYS[1]
--- 输入参数
--[[
qps: 每秒请求数;
burst: 令牌桶容量;
now: 当前Timestamp;
cost: 请求令牌数;
max_wait: 最大等待时间
--]]
local qps = tonumber(ARGV[1])
local burst = tonumber(ARGV[2])
local now = ARGV[3]
local cost = tonumber(ARGV[4])
local max_wait = tonumber(ARGV[5])
--- 获取redis中的令牌数
local tokens = redis.call("hget", limit_key, "token")
if not tokens then
	tokens = burst
end
--- 上次修改时间
local last_time = redis.call("hget", limit_key, "last_time")
if not last_time then
	last_time = 0
end
--- 最新等待时间
local last_event = redis.call("hget", limit_key, "last_event")
if not last_event then
	last_event = 0
end
--- 通过当前时间与上次修改时间的差值，qps计算出当前时间得令牌数
local delta = math.max(0, now-last_time)
local new_tokens = math.min(burst, delta * qps + tokens)
new_tokens = new_tokens - cost --- 最新令牌数，减少请求令牌
--- 如果最新令牌数小于0，计算需要等待的时间
local wait_period = 0
if new_tokens < 0 and qps > 0 then
	wait_period = wait_period - new_tokens / qps
end
wait_period = math.ceil(wait_period)
local time_act = now + wait_period --- 满足等待间隔的时间戳
--- 允许请求有两种情况
--- 当请求令牌数小于burst, 等待时间不超过最大等待时间，可以通过补充令牌满足请求
--- qps为0时，只要最新令牌数不小于0即可
local ok = (cost <= burst and wait_period <= max_wait and qps > 0) or (qps == 0 and new_tokens >= 0)
--- 设置对应值
if ok then
	redis.call("set", limit_key, new_tokens)
	redis.call("set", last_time_key, now)
	redis.call("set", last_event_key, time_act)
end
--- 返回列表，{是否允许， 等待时间}
return {ok, wait_period}

在Golang中的相关接口Allow、AllowN、Wait等都是通过调用reserveN实现

// 调用lua脚本
func (lim *RedisLimiter) reserveN(now time.Time, n int, maxFutureReserveSecond int) (*Reservation, error) {
	// ...
	res, err := lim.rdb.Eval(context.TODO(), reserveNScript, []string{lim.limitKey}, lim.qps, lim.burst, now.Unix(), n, maxFutureReserveSecond).Result()
	if err != nil && err != redis.Nil {
		return nil, err
	}
	//...
	return &Reservation{
		ok:        allow == 1,
		lim:       lim,
		tokens:    n,
		timeToAct: now.Add(time.Duration(wait) * time.Second),
	}, nil
}

运行测试

func main() {
	rdb := redis.NewClient(&redis.Options{
		Addr:     "localhost:6379",
		Password: "123456",
		DB:       0, // use default DB
	})
	r, err := NewRedisLimiter(rdb, 1, 2, "testrate")
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
	r.Reset()
	for i := 0; i < 5; i++ {
		err := r.Wait(context.TODO())
		log.Printf("worker %d allowed: %v", i, err)
	}
}
// output
// 2022/07/22 12:50:31 worker 0 allowed: <nil>
// 2022/07/22 12:50:31 worker 1 allowed: <nil>
// 2022/07/22 12:50:32 worker 2 allowed: <nil>
// 2022/07/22 12:50:33 worker 3 allowed: <nil>
// 2022/07/22 12:50:34 worker 4 allowed: <nil>

前两个请求在burst内，直接可以获得，后面的请求按照qps的速率生成。

其他

Redis还可用于全局计数、去重以及发布订阅等不同情境。参考Redis官方提供的模块，可以通过加载这些模块实现过滤、限流等特性。

以上是Golang分布式应用之Redis怎么使用的详细内容。更多信息请关注PHP中文网其他相关文章！