Python使用分布式鎖的代碼演示示例

在計算機并發領域編程中總是會與鎖打交道，鎖又有很多種，互斥鎖、自旋鎖等等。

鎖總是伴隨著線程、進程這樣的詞匯出現，阮一峰有 一篇文章 對這些名詞進行了簡單易懂的解釋。

我的理解是，使用線程、進程是為了實現并發從而獲得性能的提升(利用多核CPU，多臺服務器)，但這種并發由于調度的不確定性，很容易出亂子，為了(在一些共享資源、關鍵節點上)不出亂子，又需要對資源加鎖，在操作這個資源時控制這種并發，將亂子消滅。

很多語言都提供了一些線程級別的鎖實現以及一些相應的工具，但在進程方面就無能為力了。而一個服務部署到生產環境，往往會部署多個實例，這種情況下，就經常會用到給不同進程用的鎖，分布式鎖便是在分布式系統中對某共享資源進行加鎖的構件。

現在來試著展示一下在Python項目中如何使用簡單的分布式互斥鎖。

不使用分布式鎖會怎樣

先用一個簡單的實例來演示一下，不使用分布式鎖會出怎樣的亂子。

假設商城系統要做秒殺活動，在redis中記錄著 count:1 的信息，到秒殺時間點的時候，會收到許多的請求，這時各應用程序去查redis中count的值，若count還大于0，則將count-1，這樣其他請求就不再能秒殺到了。

# -*- coding: utf-8 -*-
import os
import arrow
import redis
from multiprocessing import Pool

HOT_KEY = 'count'
r = redis.Redis(host='localhost', port=6379)

def seckilling():
  name = os.getpid()
  v = r.get(HOT_KEY)
  if int(v) > 0:
    print name, ' decr redis.'
    r.decr(HOT_KEY)
  else:
    print name, ' can not set redis.', v

def run_without_lock(name):
  while True:
    if arrow.now().second % 5 == 0:
      seckilling()
      return

if __name__ == '__main__':
  p = Pool(16)
  r.set(HOT_KEY, 1)
  for i in range(16):
    p.apply_async(run_without_lock, args=(i, ))
  print 'now 16 processes are going to get lock!'
  p.close()
  p.join()
  print('All subprocesses done.')

以上代碼使用多進程來模仿這種并發請求場景，程序開始的時候將count設為1，之后各進程開始進入等待，當秒數為5的時候，所有進程同時去訪問秒殺函數，來看一下效果：

運行結果

redis查詢展示

從程序打印與查redis的結果來說并未如愿，本來秒殺商品只有一件，但卻被成功搶購到了4次。這是由于各進程在get count的值時，對redis值更新的指令已經發出而還未進行完畢，會讓其他進程認為自己可以購得。

這種問題可歸為 不可重復讀 種類的數據并發問題。

在這種毫無保護的情況下，其他常見并發問題幻讀、臟讀、第一第二類丟失更新等都有可能發生，這里不再一一舉例。

使用ZooKeeper作分布式鎖

作為致力于解決分布式協同問題的知名工具，利用zookeeper提供的API和它對于節點唯一性與順序一致性的保證可以實現分式式鎖。

實現思路為，各進程去創建 /exclusive_lock/lock 的結點，zookeeper保證只有一個client可以創建成功，那么便認為創建成功的那個client獲得了鎖，當它處理完業務后，將該node刪除，其他client會監聽到這個事件，并再次嘗試創建該節點，如此進行下去。

Kazoo 庫實現了這種Lock，使用起來非常簡單，編程人員可以不用再去自己實現acquire，release等鎖的通用接口。

同時在Python中，對鎖的使用往往可以通過優雅的上下文管理器with。

def run_with_zk_lock(name):
  zk = KazooClient()
  zk.start()
  lock = zk.Lock("/lockpath", "my-identifier")
  while True:
    if arrow.now().second % 5 == 0:
      with lock:
        seckilling()
        return

使用zk結果

redis查詢展示

當秒殺發生時，只有獲得鎖的進程可以去進行秒殺操作。

在鎖的幫助下，程序按照預想的方式運行了。

使用redis作分布式鎖

在redis的網站有一篇文章 專門介紹如何使用redis作為分布式鎖，文尾還附帶了對此文章的反對文章以及再次回擊的文章，有點精彩。

文章提到了一個redlock的分布式鎖設計。

設置鎖的redis命令為 SET resource_name my_random_value NX PX 30000 ，當加NX參數時，若resouce_name不存在才會創建，若不存在則會向client返回不同的結果，利用這個機制，便只有一個client可以set成功，就像上面的zk一樣了。

但是，實現這樣一個分布式鎖遠不止這么簡單，redis并不像zk一樣是一個分布式協同工具，會向client做出分布式中各種一致性及容錯、可用性的保證。

redis本身也是集群部署的，它們之間有著異步復制時間差、容錯等問題可能會出現，要真正做到這個鎖的實現在線上大規模分布式系統中可用，真的是要考慮各種情況，很不容易。

關于如何在語言上實現一個鎖的接口，redlock的原理與代碼實現，以及上述kazoo包里實現lock的源碼，我會在另一篇專門的文章中說一下。

redlock-py 包是python語言中對上述文章的實現，我們現在使用它來進行嘗試。

rlock = RedLock([{"host": "localhost", "port": 6379, "db": 0}, ])

def run_with_redis_lock(name):
  while True:
    if arrow.now().second % 5 == 0:
      with rlock:
        seckilling()
        return

redis鎖運行結果

運行結果和上面使用zk一樣，符合程序設計預期。

以上只是基于python語言的一些代碼展示，通過使用兩個第三方包，來使用分布式鎖來避免并發程序中混亂的產生。

但其實這中間是有一個斷層的，即，這兩個工具都是提供了一個機制，而并不是直接對外提供了操作鎖的API，那么如何利用這個機制來實現這樣的鎖正是這兩個第三方做的事情。

簡單看過它們實現的源碼，以及threading中一些lock的代碼，發現在鎖的實現上是有著共通之處的，都有通用的acquire與release方法，然后將 enter 與 exit 指向前面兩個方法來實現上下文管理器with的用法。

此外，還可以利用關系型數據庫如MySQL固有的鎖機制來作為分布式鎖，但由于數據庫往往是系統的瓶頸所在，沒有必要為它引入不必要的壓力。同時，MySQL中的鎖、隔離級別也有一大堆可說的，在github上找了一下也并未找到一個成熟的像上面的基于MySQL實現的對外暴露鎖通用API的第三方包，故未能在上面加以展示。

想要說清楚這個事情并沒有那么容易，之后我會嘗試搞清楚如何寫一個比較地道的鎖，并對上面兩個第三方包的具體實現加以研究，爭取把這個斷層補上。之后，或許可以嘗試實現一下基于MySQL的類似第三方包，這需要對MySQL的一些機制搞得更加清楚才行。

以上就是本文的全部內容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持億速云。