Kubernetes中锁机制的设计与实现
资源锁是通过一个资源的CRUD操作，然后配合分布式锁的一些机制来完成，分布式环境中Leader节点的选举，今天我们来臆测下K8s里面是如何基于configMap来实现的吧。
面向终态的锁基础篇
在分布式系统中通常由各种各样的锁，我们先来看下，主流的锁里面有哪些共性，以及是如何进行设计的。
分布式系统中的锁
在分布式系统中锁有很多种实现方式： 基于CP模型的、基于AP模型的 ，但是这些锁机制都有一些通用的设计原则，接下来我们先看下这部分。
1. 锁凭证
锁凭证主要来证明谁持有锁，不同系统里面的实现各不相同，比如在zookeeper中是临时顺序节点，而在redission中则是通过uuid+threadID组成，而K8s中则是LeaderElectionRecord, 通过该凭证来识别当前是哪个客户端加的锁。
2. 锁超时
当有leader节点持有锁之后，其余的节点就需要尝试竞争锁，在CP系统中通常会由服务端进行维护，即如果发现对应的节点没有心跳，则会进行节点的踢出，并且通过watch这种机制进行回调，而在AP系统中则需要客户端自己维护，比如redission里面的时间戳。
3. 时钟
在分布式系统中通常我们无法保证各个节点的物理时钟完全一致，通常就会有一个逻辑时钟的概念，在很多系统中比如raft和zab中其实就是一个递增的全局计数器，但是在redission中则是通过物理时钟，即需要保证大家的物理时钟尽可能同步，不能超过锁超时的时间。
网络分区问题
无论是CP还是AP，在分布式系统中通常我们都要保证P即分区可用性，那如果持有锁的Leader节点发生网络分区的情况，则需要一种保护机制，即Leader节点需要主动退出。
在zookeeper中因为leader节点需要通过session来进行心跳的维护，如果说对应的leader节点发生分区，则session就无法进行心跳的发生，就会退出，就需要通知我们的主流程来进行退出清理工作。
资源锁的实现机制
资源锁其实就是可以通过操作一个资源(顺序一致性)，借助前面说的锁的思想来实现分布式锁，其首先核心流程如下：
通过资源对象来存储锁凭证信息
即将标识当前Leader节点的信息放入到对应的凭证里面，并尝试进行锁竞争，进行锁的获取的尝试。
锁超时
K8s的锁超时的机制比较有趣，即他并不关心你的逻辑时钟，而是以本地时钟为准，即每个节点会存储观测到leader节点变更的时间，然后根据本地的锁超时时间来检测，是否重新发起leader的竞争。
核心源码剖析
因为篇幅原因这里只介绍基于configMap的resourceLock, 其他的都大同小异。
LeaderElectionRecord
在我的理解上这个数结构的设计，才是真正的那把锁(就好像生活中我们可以随便买把锁，锁各种门)。通过这个锁屏蔽底层的各种锁实现系统的实现细节，但注意这把锁并不是严格的分布式互斥锁。
数据结构
在锁的实现中，数据主要分为三类：身份凭证、时间戳、全局计数器，然后我们依次来看猜下对应的设计思路。
type LeaderElectionRecord struct {
HolderIdentity string `json:"holderIdentity"`
LeaseDurationSeconds int `json:"leaseDurationSeconds"`
AcquireTime metav1.Time `json:"acquireTime"`
RenewTime metav1.Time `json:"renewTime"`
LeaderTransitions int `json:"leaderTransitions"`
} 身份凭证：HolderIdentity
身份凭证主要是用于标识一个节点信息，在一些分布式协调系统中通常都是系统自带的机制，比如zookeeper中的session, 在此处资源锁的场景下，主要是为了用于后续流程里验证当前节点是否获取到锁。
时间戳：LeaseDurationSeconds、AcquireTime、RenewTime
因为之前说的时间同步的问题，这里的时间相关的主要是用于leader节点触发节点变更来使用(Lease类型也在使用)，非Leader节点则根据当前记录是否变更来检测leader节点是否存活。
LeaderTransitions
计数器主要就是通过计数来记录leader节点切换的次数。
ConfigMapLock
所谓的资源锁其实就是通过创建一个ConfigMap实例来保存我们的锁信息，并通过这个实例信息的维护，来实现锁的竞争和释放。
1. 创建锁
通过利用etcd的幂等性操作，可以保证同时只会有一个leader节点进行锁创建成功，并且通过Annotations来提交上面说的LeaderElectionRecord来进行锁的提交。
func (cml *ConfigMapLock) Create(ler LeaderElectionRecord) error {
cml.cm, err = cml.Client.ConfigMaps(cml.ConfigMapMeta.Namespace).Create(&v1.ConfigMap{
ObjectMeta: metav1.ObjectMeta{
Name: cml.ConfigMapMeta.Name,
Namespace: cml.ConfigMapMeta.Namespace,
Annotations: map[string]string{
LeaderElectionRecordAnnotationKey: string(recordBytes),
},
},
})
return err
} 2. 获取锁
func (cml *ConfigMapLock) Get() (*LeaderElectionRecord, []byte, error) {
cml.cm, err = cml.Client.ConfigMaps(cml.ConfigMapMeta.Namespace).Get(cml.ConfigMapMeta.Name, metav1.GetOptions{})
recordBytes, found := cml.cm.Annotations[LeaderElectionRecordAnnotationKey]
if found {
if err := json.Unmarshal([]byte(recordBytes), &record); err != nil {
return nil, nil, err
}
}
return &record, []byte(recordBytes), nil
} 3. 更新锁
func (cml *ConfigMapLock) Update(ler LeaderElectionRecord) error {
cml.cm.Annotations[LeaderElectionRecordAnnotationKey] = string(recordBytes)
cml.cm, err = cml.Client.ConfigMaps(cml.ConfigMapMeta.Namespace).Update(cml.cm)
return err
} LeaderElector
LeaderElector的核心流程分为三部分：竞争锁、超时检测、心跳维护，首先所有节点都会进行资源锁的竞争，但是最终只会有一个节点成为Leader节点， 然后核心流程就会按照角色分成两个主流程, 让我们一起来看下其实现。
1. 核心流程
如果节点没有acquire成功则会一直进行尝试，直至取消或者竞选成功，而leader节点则会执行成为 leader节点的回调(补充基于leader的zookeeper的实现机制)
func (le *LeaderElector) Run(ctx context.Context) {
defer func() {
runtime.HandleCrash()
le.config.Callbacks.OnStoppedLeading()
}()
if !le.acquire(ctx) { // 精选锁
return // ctx signalled done
}
// 如果锁竞选成功，则leader节点会执行剩余流程，而非leader节点则继续尝试acquire
ctx, cancel := context.WithCancel(ctx)
defer cancel()
go le.config.Callbacks.OnStartedLeading(ctx)
le.renew(ctx)
} 2. 锁的续约
如果竞选为leader节点，则就需要进行锁的续约操作，就是通过调用上面提到的更新锁的操作来，周期性的更新锁记录信息即LeaderElectionRecord，从而达到续约的目标。
func (le *LeaderElector) renew(ctx context.Context) {
ctx, cancel := context.WithCancel(ctx)
defer cancel()
wait.Until(func() {
timeoutCtx, timeoutCancel := context.WithTimeout(ctx, le.config.RenewDeadline)
defer timeoutCancel()
err := wait.PollImmediateUntil(le.config.RetryPeriod, func() (bool, error) {
done := make(chan bool, 1)
go func() {
defer close(done)
// 锁的续约
done <- le.tryAcquireOrRenew()
}()
select {
case <-timeoutCtx.Done():
return false, fmt.Errorf("failed to tryAcquireOrRenew %s", timeoutCtx.Err())
case result := <-done:
return result, nil
}
}, timeoutCtx.Done())
cancel()
}, le.config.RetryPeriod, ctx.Done())
// if we hold the lease, give it up
if le.config.ReleaseOnCancel {
// 释放锁
le.release()
}
} 3. 锁的释放
锁的释放则比较好玩，就是更新对应的资源，去掉annotations里面的信息，这样在获取锁的时候，因为检测到当前资源没有被任何凭证信息，就会尝试进行竞选。
func (le *LeaderElector) release() bool {
if !le.IsLeader() {
return true
}
leaderElectionRecord := rl.LeaderElectionRecord{
LeaderTransitions: le.observedRecord.LeaderTransitions,
}
if err := le.config.Lock.Update(leaderElectionRecord); err != nil {
klog.Errorf("Failed to release lock: %v", err)
return false
}
le.observedRecord = leaderElectionRecord
le.observedTime = le.clock.Now()
return true
} 4. 锁的竞争
锁的竞争整体分为四个部分: 1)获取锁 2)创建锁 3)检测锁 4)更新锁，下面来依次看下对应的实现。
获取锁
首先会尝试获取对应的锁，在获取锁中会检测对应的annotations中是否存在，如果不存在则oldLeaderElectionRecord就为空，即当前资源锁没有被人持有。
oldLeaderElectionRecord, oldLeaderElectionRawRecord, err := le.config.Lock.Get()
创建锁
如果检测到对应的锁不存在，则就会直接进行锁的创建，如果创建成功则表明当前节点获取锁，则就成为leader，执行leader的回调逻辑。
if err != nil {
if !errors.IsNotFound(err) {
klog.Errorf("error retrieving resource lock %v: %v", le.config.Lock.Describe(), err)
return false
}
// 创建锁
if err = le.config.Lock.Create(leaderElectionRecord); err != nil {
klog.Errorf("error initially creating leader election record: %v", err)
return false
}
// 记录当前的选举记录，还有时钟
le.observedRecord = leaderElectionRecord
le.observedTime = le.clock.Now()
return true
} 检查锁
在K8s里面并没有使用逻辑时钟而是使用本地时间，通过对比每次锁凭证是否更新，来进行本地observedTime的更新，如果leader没有在LeaseDuration内来更新对应的锁凭证信息，则当前节点就会尝试成为leader。
同时这里还会保障最终的一致性锁，因为后续的renew其实也是走的这个逻辑，如果说当前节点最开始持有锁，但是被别的节点抢占，则当前节点会主动让出锁。
if !bytes.Equal(le.observedRawRecord, oldLeaderElectionRawRecord) {
le.observedRecord = *oldLeaderElectionRecord
le.observedRawRecord = oldLeaderElectionRawRecord
le.observedTime = le.clock.Now() // 此处更新的是本地的时钟
}
if len(oldLeaderElectionRecord.HolderIdentity) > 0 &&
le.observedTime.Add(le.config.LeaseDuration).After(now.Time) &&
!le.IsLeader() {
// 如果当前Leader任期没有超时，则当前竞选锁失败
klog.V(4).Infof("lock is held by %v and has not yet expired", oldLeaderElectionRecord.HolderIdentity)
return false
} 更新锁
核心逻辑其实就是Lock.Update这个地方，设计的比较有意思，不同于强一致性的锁，在K8s中我们可以同时有多个节点都走到这里，但是因为更新etcd是一个原子的操作，最终只会有一个节点更新成功，那如何保证最终的锁的语义呢，其实就要配合上面的检测锁，这样就可以实现一个面向终态的最终的锁机制。
if le.IsLeader() {
leaderElectionRecord.AcquireTime = oldLeaderElectionRecord.AcquireTime
leaderElectionRecord.LeaderTransitions = oldLeaderElectionRecord.LeaderTransitions
} else {
leaderElectionRecord.LeaderTransitions = oldLeaderElectionRecord.LeaderTransitions + 1
}
// update the lock itself
if err = le.config.Lock.Update(leaderElectionRecord); err != nil {
klog.Errorf("Failed to update lock: %v", err)
return false
}
le.observedRecord = leaderElectionRecord
le.observedTime = le.clock.Now()
return true 疑问