golang 读写锁

时间:2022-09-29 二牛QAQ 人气:0

业务场景

因为项目刚上线，目前暂不打算引入其他中间件，所以打算通过 mysql 来实现分布式读写锁；而该业务场景也满足分布式读写锁的场景，抽象后的业务场景是：特定资源 X，可以执行 2 种操作：读操作和写操作，2种操作需要满足下面条件:

执行操作的机器分布式在不同的节点中，也就是分布式的；
读操作是共享的，也就是说同时可以有多个 goroutine 对资源 X 执行读操作；
写操作是互斥的，也就是说同一时刻只允许有一个 goroutine 对资源 X 执行写操作；
读操作和写操作是互斥的，也就是说写操作和读操作不能同时存在

既然需要如此实现，下面我们看下什么是分布式读写锁。

什么是分布式读写锁

大家对于锁肯定不陌生，在 golang 中 sync.Mutex 锁是常见的，一般用在单节点多 goroutine 中对资源的并发访问；但是分布式场景下，单节点 sync.Mutex 加锁的方式就会失去作用，于是人们为了在分布式环境中实现对共享资源的互斥访问，实现了各种分布式锁。

而分布式读写锁是比分布式锁粒度更小的锁，对业务场景的加锁会更加灵活，其中分布式读写锁也遵循读写锁的原则：

读模式共享，写模式互斥。
它三种模式状态: 读加锁状态、写加锁状态、无锁状态。

分布式读写锁的访问原则与读写锁类似，下面我们具体看下。

分布式读写锁的访问原则

以下列表为读写锁(也就是分布式读写锁)的读写访问原则

当前锁状态	读锁请求	写锁请求
无锁状态	可以	可以
读锁状态	可以	不可以
写锁状态	不可以	不可以

读锁

只有在无锁和读锁下可以获取读锁。
读锁的模式下，任何请求读锁都可以。
读锁的模式下，请求写锁不可以，直到所有读锁解锁，写锁才能获取到锁。

写锁

只有在无锁状态下可以获取写锁。
写锁的模式下，任何请求读锁和写锁都阻塞，直到写锁解锁。

具体实现

如果本地没有 mysql 数据库，可以通过这篇文章快速搭建: 如何使用 docker 搭建一个 mysql 服务

通过 gorm 连接 mysql

gorm 是一个 golang 的 orm 框架，可以使用它快速连接数据库，具体代码如下:

package main

import (
	"fmt"

	"gorm.io/driver/mysql"
	"gorm.io/gorm"
	"gorm.io/gorm/logger"
)
var (
	db *gorm.DB

	dbUsername = "kele"
	dbPassword = "baishi2020"
	dbHost     = "127.0.0.1:7306"
	dbDatabase = "lingmo"

	stateReadLock  = "ReadLock"
	stateWriteLock = "WriteLock"
	stateUnlock    = "Unlock"
)

type RWLock struct {
	LockMark      string `gorm:"default:'Unlock'"`
	ReadLockCount uint32 `gorm:"default:0"`
	LockReason    string
}

type Stock struct {
	gorm.Model
	RWLock
	Count int64
}

func (Stock) TableName() string {
	return "stocks"
}

func init() {
	dsn := fmt.Sprintf("%s:%s@tcp(%s)/%s?charset=utf8mb4&parseTime=True&loc=Local", dbUsername, dbPassword, dbHost, dbDatabase)

	mysqlConfig := mysql.Config{DSN: dsn}
	gormConfig := &gorm.Config{Logger: logger.Default.LogMode(logger.Info)}

	var err error
	if db, err = gorm.Open(mysql.New(mysqlConfig), gormConfig); err != nil {
		panic(err)
	}

	db.Set("db:table_options", "ENGINE = InnoDB DEFAULT CHARSET = utf8")

	// register tables
	if err = db.AutoMigrate(&Stock{}); err != nil {
		panic(err)
	}
}

func main() {
	if result := db.Model(&Stock{}).Save(&Stock{Model: gorm.Model{}, RWLock: RWLock{}, Count: 10}); result.Error != nil {
		panic(result.Error)
	}
}

首先我们定义了一个库存表 stocks，并且在其中添加三个和读写锁相关的字段，三个字段的含义如下：

LockMark: 表示某条数据加锁的状态，只能是读锁、写锁、无锁状态中的一种。
ReadLockCount: 首先读模式是共享的，意味着可以有多个 goroutine 并发访问，而 ReadLockCount 字段则记录当前并发访问的 goroutine 数量。
LockReason: 记录当前加锁的原因；读锁是最新的 goroutine 的 lockReason，写锁则是写锁 goroutine 的 lockReason。

其余则是一些 gorm 连接 mysql 逻辑，这里不再多赘述。

实现读锁模式

具体代码如下:

func (s Stock) RLock(db *gorm.DB, lockReason string) error {
	condition := "(id = ?) AND (lock_mark != ?)"
	fields := map[string]interface{}{
		"lock_mark":       stateReadLock,
		"read_lock_count": gorm.Expr("read_lock_count + ?", 1),
		"lock_reason":     lockReason,
	}

	result := db.Model(&Stock{}).Where(condition, s.ID, stateWriteLock).Updates(fields)
	if result.Error != nil {
		return result.Error
	}
	if result.RowsAffected == 0 {
		return errors.New("failed to rlock Stock, RowsAffected=0")
	}

	return nil
}

func (s Stock) RUnlock(db *gorm.DB, UnLockReason string) error {
	sql := fmt.Sprintf(`UPDATE stocks SET read_lock_count=if(read_lock_count>0,read_lock_count-1,0), lock_mark=if(read_lock_count<1, 'Unlock', 'ReadLock'),lock_reason ='%s' where id= %d and lock_mark='%s'`, UnLockReason, s.ID, stateReadLock)
	result := db.Exec(sql)
	if result.Error != nil {
		return result.Error
	}
	if result.RowsAffected == 0 {
		return errors.New("failed to RUnlock Stock, RowsAffected=0")
	}

	return nil
}

func main() {
	if result := db.Model(&Stock{}).Save(&Stock{Model: gorm.Model{}, RWLock: RWLock{}, Count: 10}); result.Error != nil {
		panic(result.Error)
	}

	s := &Stock{Model: gorm.Model{ID: 1}}
	if result := db.Model(s).First(s); result.Error != nil {
		panic(result.Error)
	}
	if err := s.RLock(db, "readLock_reason_1"); err != nil {
		panic(err)
	}
	if err := s.RLock(db, "readLock_reason_2"); err != nil {
		panic(err)
	}

	if err := s.RUnlock(db, "readLock_unlock_1"); err != nil {
		panic(err)
	}
	if err := s.RUnlock(db, "readLock_unlock_2"); err != nil {
		panic(err)
	}
}

执行以上代码是可以正常运行的，下面我们分析下:

读锁的 sql 语句如下，只要在非写锁状态下就能加读锁。

UPDATE `stocks` SET `lock_mark` = 'ReadLock', `lock_reason` = 'readLock_reason_1', `read_lock_count` = read_lock_count + 1, `updated_at` = '2022-09-25 14:58:45.693' WHERE (( id = 1 ) 
AND ( lock_mark != 'WriteLock' )) 
AND `stocks`.`deleted_at` IS NULL

解读锁的 sql 语句如下，只有在读锁状态下才能解读锁，另外还要更新 read_lock_count 和 lock_reason 字段。

UPDATE stocks 
SET read_lock_count =
IF
    ( read_lock_count > 0, read_lock_count - 1, 0 ),
    lock_mark =
IF
    ( read_lock_count < 1, 'Unlock', 'ReadLock' ),
    lock_reason = 'readLock_unlock_1' 
WHERE
    id = 1 
    AND lock_mark = 'ReadLock'

实现写锁模式

具体代码如下:

func (s Stock) WLock(db *gorm.DB, lockReason string) error {
	condition := "(id = ?) AND (lock_mark = ?)"
	fields := map[string]interface{}{
		"lock_mark":       stateWriteLock,
		"read_lock_count": 0,
		"lock_reason":     lockReason,
	}
	result := db.Model(&Stock{}).Where(condition, s.ID, stateUnlock).Updates(fields)
	if result.Error != nil {
		return result.Error
	}
	if result.RowsAffected == 0 {
		return errors.New("failed to WLock Stock, RowsAffected=0")
	}

	return nil
}

func (s Stock) WUnlock(db *gorm.DB, UnLockReason string) error {
	condition := "(id = ?) AND (lock_mark = ?)"
	fields := map[string]interface{}{
		"lock_mark":       stateUnlock,
		"read_lock_count": 0,
		"lock_reason":     UnLockReason,
	}

	result := db.Model(&Stock{}).Where(condition, s.ID, stateWriteLock).Updates(fields)
	if result.Error != nil {
		return result.Error
	}
	if result.RowsAffected == 0 {
		return errors.New("failed to WUnlock Stock, RowsAffected=0")
	}

	return nil
}

func main() {
	s := &Stock{Model: gorm.Model{ID: 1}}
	if result := db.Model(s).First(s); result.Error != nil {
		panic(result.Error)
	}
	if err := s.WLock(db, "writeLock_reason_1"); err != nil {
		panic(err)
	}
	if err := s.WUnlock(db, "unWriteLock_reason_1"); err != nil {
		panic(err)
	}
}

执行以上代码也是可以运行，下面是分析结果

写锁的 sql 语句如下，只有在无锁状态下才能加锁成功

UPDATE `stocks` SET `lock_mark` = 'WriteLock', `lock_reason` = 'writeLock_reason_1', `read_lock_count` = 0, `updated_at` = '2022-09-25 15:06:10.71' WHERE (( id = 1 ) 
AND ( lock_mark = 'Unlock' )) 
AND `stocks`.`deleted_at` IS NULL

解写锁的 sql 语句如下，只有在写锁状态下才能解写锁

UPDATE `stocks` SET `lock_mark` = 'Unlock', `lock_reason` = 'unWriteLock_reason_1', `read_lock_count` = 0, `updated_at` = '2022-09-25 15:06:10.719' WHERE (( id = 1 ) 
AND ( lock_mark = 'WriteLock' )) 
AND `stocks`.`deleted_at` IS NULL

总结

分布式读写锁的实现有多种方式，也可以通过 etcd、redisson 的方式进行实现，而本文着重说明可通过 mysql 来实现，这种方式的优势在于不必引入额外的组件且实现较为简单，因此也有一定的应用场景，

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