Etcd 实战练习

Posted 2021-09-14 wuqinqiang

最近一直在看 etcd 相关的东西，为了不”白看”，加深理解，随即开启此系列的输出。

Etcd是什么

Etcd 是由 Go 编写的。它是一个强一致性的分布式键值存储，提供一种可靠的方式来存储需要由分布式系统或者机器集群访问的数据。 同时 Etcd 各节点中的通信是通过 Raft 一致性算法来处理的。 有很多大型开源项目的底层都基于 Etcd，举几个比较有名的工业级项目:kubernetes、 CoreDNS、ROOK……

Etcd 的场景

服务发现。(可以把服务存储到某个 prefix 开头的 key中，然后消费端或者服务信息以调用， 同时消费者也可以通过 watch 获得 key 的变化)
消息分布和订阅
分布式锁
Leader 选举
分布式队列
负载均衡
……

和 redis 的区别

面试的时候可能有面试官喜欢问，

redis 的数据类型更丰富(string, hash, set ,zset, list)，etcd 仅仅就是 key-val。
etcd 的底层是 Raft 算法，可以保证数据的强一致性。而 redis 数据复制上是主备异步复制，只能最终一致性。
读写性能上，因为 etcd 保证强一致性，所以会比 redis 差。
存储方面，etcd 使用的是持久化存储boltdb，而 redis 的方案是可持久化的 aof/rdb -……

环境与说明

直接下载编译好的二进制文件也好，还是自己下载源码编译运行，先开启一个单节点服务就行。我本地使用 goreman 搭建了三个实例。

这里稍微说明一下:PEER ADDRS 指的是向其他 etcd server 暴露的通信地址,比如上图 name=infra1 要调用 infra2， 调用的就是 http://127.0.0.1:22380。 而 CLIENT ADDRS 是对客户端暴露的地址。比如接下来我们的客户端连接的是 infra1，使用的就是 http://127.0.0.1:2379。

目前网上的教程大多使用编译好的 etcdctl 这样的二进制文件，通过命令行来进行操作,简单直观。比如:

但是也会导致一个问题，你并不知道客户端底层是如何运行的，这中间又涉及了哪些接口，对应的数据结构是什么样的。 所以为了一步步深入 etcd，我们从代码层面操作 etcd 客户端。

以下是本篇文章涉及到的全部代码,下面我们开始分块讲解.

初始化 etcd 客户端

我们先初始化一个 etcd 客户端

var addr = flag.String("addr", "http://127.0.0.1:2379", "etcd address")

var cli *clientv3.Client

// 初始化etcd 客户端
func init() {
    flag.Parse()
    var err error
    // 解析etcd的地址，编程[]string
    endpoints := strings.Split(*addr, ",")
    // 创建一个 etcd 的客户端
    cli, err = clientv3.New(clientv3.Config{Endpoints: endpoints,
        DialTimeout: 5 * time.Second})
    if err != nil {
        fmt.Printf("初始化客户端失败:%v\\\\n", err)
        log.Fatal(err)
    }
    defer cli.Close()
}

put 操作

命令行 etcdctl put key val 对应操作

// 设置key
func PutKey(key string, value string) {
    var err error
    var resp *clientv3.PutResponse
    resp, err = cli.Put(context.Background(), key, value)
    if err != nil {
        fmt.Printf("设置 key 失败:%v\\\\n", err)
        return
    }
    fmt.Printf("操作结果：%v\\\\n", resp)
}

除了简单的设置，我们还有一种租约模式，也就是设置一个key的有效期，在有效期之内可以进行续租，如果没续租到期就过期。 对应的命令行是分两段:

etcdctl lease grant 200
// lease 326978bac638650a granted with TTL(200s)
etcdctl put hello world --lease=326978bac638650a

对应操作

// 设置会过期的key
func PutKeyLease(key string, value string, ttl int64) {
    var err error
    var resp *clientv3.PutResponse

    // 创建一个租约对象
    var lease clientv3.Lease
    lease = clientv3.NewLease(cli)

    var leaseResp *clientv3.LeaseGrantResponse
    // 根据时间，生成一个租约
    leaseResp, err = lease.Grant(context.Background(), ttl)
    if err != nil {
        fmt.Printf("设置 租约 失败:%v\\\\n", err)
    }

    resp, err = cli.Put(context.Background(), key, value, clientv3.WithLease(leaseResp.ID))
    if err != nil {
        fmt.Printf("设置 key 失败:%v\\\\n", err)
        return
    }
    fmt.Printf("操作结果：%v\\\\n", resp)
}

etcd 的租约模式，简单的说， 当 Lease server 收到 client 请求，比如上面创建一个有效期200秒的请求，会通过 Raft 模块完成日志同步， 随后 Apply 模块的 Grant 接口执行日志条目内容。这是后续我们要研究的，这里略微提一下。

首先你得创建一个 Lease(租约)，获取到一个 Lease 唯一id，然后 put 的时候带上这个 id。当一个 key 指定一个 Lease 的时候， 底层最终是会把这个 key 关联到 Lease 的内存集合中。所以本质上，一个 Lease 可以 关联 n 个 key。而我们平常使用的缓存 key 设置过期时间，一般是把 key 和过期时间一对一绑定。

可能有人还要问，Lease 到期了是如何删除掉关联的 key？

其实原理说起来也很简单。Lease 在底层存储的结构是堆。由一个异步的 G 专门负责的去淘汰过期的 Lease。定时从最小堆中取出已经到期的 Lease。 然后删除 Lease 以及 删除通过 LeaseId 关联上此 Lease 的 key 列表。后面我们分析源码的时候专门讨论这块。

这里我还要说一点，你可以看到，不管是 put 一个普通的 key，还是一个带有租约的 key，调用的都是同一个方法。

// 普通的
    resp, err = cli.Put(context.Background(), key, value)
// 租约
    resp, err = cli.Put(context.Background(), key, value, clientv3.WithLease(leaseResp.ID))

// 源码里面
type OpOption func(*Op)

func WithLease(leaseID LeaseID) OpOption {
    return func(op *Op) { op.leaseID = leaseID }
}
func (op *Op) applyOpts(opts []OpOption) {
    for _, opt := range opts {
        opt(op)
    }
}

看出来了吗？一个很常见的设计模式，装饰器。

Get 操作

命令行 etcdctl get key 对应操作,

func GetKey(key string) {
    var err error
    var res *clientv3.GetResponse
    res, err = cli.Get(context.Background(), key)
    if err != nil {
        fmt.Printf("获取 key 失败 :%v\\\\n", err)
        return
    }
    fmt.Printf("key %v 的值是：%+v\\\\n", key, res)
}

我们都知道，etcd从 v3 开始，底层实现了 MVCC 机制。所以在 etcd 中的 key 是存在多个历史版本的。 我们会在命令行中 etcdctl get hello --rev=?,比如

可以看到，不同版本的 key(“hello”)的值是不一样的。

// 获取指定版本的key
func GetKeyByVersion(key string, version int64) {
    var err error
    var res *clientv3.GetResponse
    res, err = cli.Get(context.Background(), key, clientv3.WithRev(version))
    if err != nil {
        fmt.Printf("删除 key:%v 失败:%v", key, err)
        return
    }
    fmt.Printf("请求key:%v,请求版本:%v,获取结果：%+v\\\\n", key, version, res)

一样的套路。我们也可以运行这段代码演示一下。

src.GetKeyByVersion("hello", 20)
src.GetKeyByVersion("hello", 21)

其他参数暂时忽略，主要看 Kvs 里面的结果。

Watch 操作

命令行 ./etcdctl watch hello

为了避免客户端的反复轮询， etcd 提供了 event 机制。客户端可以订阅一系列的 event ，用于 watch 某些 key 。 当这些被 watch 的 key 更新时， etcd 就会通知客户端。

// 监听key 变动
func WatchKey(key string) {
    var watch clientv3.WatchChan
    watch = cli.Watch(context.Background(), key)
    for {
        res := <-watch
        fmt.Printf("key:%v变动通知：%+v\\\\n", key, res)
        fmt.Printf("值:%+v\\\\n", *res.Events[0])
    }

}

可以从上面这段代码看出，watch 是通过 channel 的方式来进行通知的

// 开启一个 G
//    go src.WatchKey("hello")

然后我们运行这段程序，在命令行上操作 hello 这个 key，

./etcdctl lease grant 30
lease 326978bac638651e granted with TTL(30s)
./etcdctl put hello world-age --lease=326978bac638651e

可以看到接收到两个事件，一个是 put，一个是租约到期 delete。

总结

以下是这篇文章全部代码

package src

import (
    "context"
    "flag"
    "fmt"
    "github.com/coreos/etcd/clientv3"
    "log"
    "strings"
    "time"
)

var addr = flag.String("addr", "http://127.0.0.1:2379", "etcd address")

var cli *clientv3.Client

// 初始化etcd 客户端
func init() {
    flag.Parse()
    var err error
    // 解析etcd的地址，编程[]string
    endpoints := strings.Split(*addr, ",")
    // 创建一个 etcd 的客户端
    cli, err = clientv3.New(clientv3.Config{Endpoints: endpoints,
        DialTimeout: 5 * time.Second})
    if err != nil {
        fmt.Printf("初始化客户端失败:%v\\\\n", err)
        log.Fatal(err)
    }
    defer cli.Close()
}

// 设置key
func PutKey(key string, value string) {
    var err error
    var resp *clientv3.PutResponse
    resp, err = cli.Put(context.Background(), key, value)
    if err != nil {
        fmt.Printf("设置 key 失败:%v\\\\n", err)
        return
    }
    fmt.Printf("操作结果：%v\\\\n", resp)
}

// 设置会过期的key
func PutKeyLease(key string, value string, ttl int64) {
    var err error
    var resp *clientv3.PutResponse

    // 创建一个租约对象
    var lease clientv3.Lease
    lease = clientv3.NewLease(cli)

    var leaseResp *clientv3.LeaseGrantResponse
    // 根据时间，生成一个租约
    leaseResp, err = lease.Grant(context.Background(), ttl)
    if err != nil {
        fmt.Printf("设置 租约 失败:%v\\\\n", err)
    }

    resp, err = cli.Put(context.Background(), key, value, clientv3.WithLease(leaseResp.ID))
    if err != nil {
        fmt.Printf("设置 key 失败:%v\\\\n", err)
        return
    }
    fmt.Printf("操作结果：%v\\\\n", resp)
}

// 获取key
func GetKey(key string) {
    var err error
    var res *clientv3.GetResponse
    res, err = cli.Get(context.Background(), key)
    if err != nil {
        fmt.Printf("获取 key 失败 :%v\\\\n", err)
        return
    }
    fmt.Printf("key %v 的值是：%+v\\\\n", key, res)
}

// 获取指定版本的key
func GetKeyByVersion(key string, version int64) {
    var err error
    var res *clientv3.GetResponse
    res, err = cli.Get(context.Background(), key, clientv3.WithRev(version))
    if err != nil {
        fmt.Printf("删除 key:%v 失败:%v", key, err)
        return
    }
    fmt.Printf("请求key:%v,请求版本:%v,获取结果：%+v\\\\n", key, version, res)
}

// 删除key
func DeleteKey(key string) {
    var err error
    var res *clientv3.DeleteResponse
    res, err = cli.Delete(context.Background(), key)
    if err != nil {
        fmt.Printf("删除 key:%v 失败:%v", key, err)
        return
    }
    fmt.Printf("操作结果：%+v\\\\n", res)
}

// 监听key 变动
func WatchKey(key string) {
    var watch clientv3.WatchChan
    watch = cli.Watch(context.Background(), key, clientv3.WithRev(21))
    for {
        res := <-watch
        fmt.Printf("key:%v变动通知：%+v\\\\n", key, res)
        fmt.Printf("值:%+v\\\\n", *res.Events[0])
    }

}

这篇文章主要介绍了etcd这个分布式存储工具，包括它的应用场景以及实战基本的操作。 上面其实还有很多的实例没有写出来，一个是因为懒，没必要一个个演示一遍，另一个原因是留给你们自行实现。 我们以这个为开始，一步步敲开 etcd 的大门。

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