MasaFramework -- 锁与分布式锁

前言

什么是锁？什么是分布式锁？它们之间有什么样的关系？

什么是锁

加锁（lock）是2018年公布的计算机科学技术名词，是指将控制变量置位，控制共享资源不能被其他线程访问。通过加锁，可以确保在同一时刻只有一个线程在访问被锁住的代码片段，我们在单机部署时可使用最简单的加锁完成资源的独享，如:

public class Program
{
    private static readonly object Obj = new { };

    public static void Main()
    {
        lock (obj)
        {
            //同一时刻只有一个线程可以访问
        }
    }
}

什么是分布式锁

但随着业务发展的需要，原单体单机部署的系统被部署成分布式集群系统后，原来的并发控制策略失效，为了解决这个问题就需要引入分布式锁，那分布式锁应该具备哪些条件？

原子性：在分布式环境下，一个方法在同一个时间点只能被一台机器下的一个线程所执行，防止数据资源的并发访问，避免数据不一致情况
高可用：具备自动失效机制，防止死锁，获取锁后如果出现错误，并且无法释放锁，则使用租约一段时间后自动释放锁
阻塞性：具备非阻塞锁特性（没有获取到锁时直接返回获取锁失败，不会长时间因等待锁导致阻塞）
高性能：高性能的获取锁与释放锁
可重入性：具备可重入特性，在同一线程外层函数获得锁之后，内层方法会自动获取锁

实现

分布式锁是特定于实现的，目前MasaFramework提供了两个实现，分别是Local、Medallion，下面会介绍如何配置并使用它们

本地锁
Medallion
- Azure
- FileSystem
- MySql
- Oracle
- PostgreSql
- Redis
- SqlServer
- WaitHandles
- ZooKeeper

本地锁

是基于SemaphoreSlim实现的，它不是真正的分布式锁，我们建议你在开发和测试环境中使用它，不需要联网也不会与其他人冲突

Medallion

是基于DistributedLock实现的分布式锁，它提供了很多种技术的实现，包括Microsoft SQL Server、Postgresql、MySQL 或 MariaDB、Oracle、Redis、Azure blob、Apache ZooKeeper、锁文件、操作系统全局WaitHandles（Windows），我们只需要任选一种实现即可，目前Medallion提供的分布式锁并不支持可重入性，点击了解原因

快速入门

安装.NET 6.0

以本地锁单应用锁为例：

新建ASP.NET Core 空项目Assignment.DistributedLock.Local，并安装Masa.Contrib.Data.DistributedLock.Local

dotnet new web -o Assignment.DistributedLock.Local
cd Assignment.DistributedLock.Local
dotnet add package Masa.Contrib.Data.DistributedLock.Local --version 0.6.0-preview.10

注册锁，修改类Program

builder.Services.AddLocalDistributedLock();//注册本地锁

如何使用锁？修改类Program

app.MapGet("lock", (IDistributedLock distributedLock) =>
{
    using var @lock = distributedLock.TryGet("test");//获取锁
    if (@lock != null)
    {
        //todo: 获取锁成功
        return "success";
    }
    return "获取超时";
});

通过DI获取IDistributedLock，并通过TryGet方法获取锁，如果获取锁失败，则返回null，如果返回到的对象不为null，则表明获取锁成功，最后在获取锁成功后写自己的业务代码即可

TryGet方法拥有以下参数

key (string, 必须): 锁的唯一名称，可通过key来访问不同的资源，执行不同的业务
timeout (TimeSpan): 等待获取锁的最大超时时间. 默认值为: TimeSpan.Zero（代表如果锁已经被另一个应用程序拥有, 它不会等待.）

TryGetAsync方法除了拥有TryGet的所有参数之外，还拥有以下参数

cancellationToken: 取消令牌可在触发后取消操作

如果你选择使用Medallion，只需要选择一种技术实现，并根据Readme注册锁即可，在使用锁上是没有区别的

如何扩展其它的分布式锁

新建类库Masa.Contrib.Data.DistributedLock.{分布式锁名}，并添加引用Masa.BuildingBlocks.Data.csproj
新建分布式锁实现类DefaultDistributedLock，并实现IDistributedLock

public class DefaultDistributedLock : IDistributedLock
{
    public IDisposable? TryGet(string key, TimeSpan timeout = default)
    {
        // 获取锁失败则返回null，当资源被释放时，主动释放锁, 无需人为手动释放
        throw new NotImplementedException();
    }

    public Task<IAsyncDisposable?> TryGetAsync(string key, TimeSpan timeout = default, CancellationToken cancellationToken = default)
    {
        //获取锁失败则返回null，当资源被释放时，主动释放锁, 无需人为手动释放
        throw new NotImplementedException();
    }
}

新建类ServiceCollectionExtensions，注册分布式锁到服务集合

public static class ServiceCollectionExtensions
{
    public static IServiceCollection AddDistributedLock(this IServiceCollection services, Action<MedallionBuilder> builder)
    {
        services.TryAddSingleton<IDistributedLock, DefaultDistributedLock>();
        return services;
    }
}

小知识

为什么TryGet、TryGetAsync方法的返回类型分别是IDisposable、IAsyncDisposable？

我们希望使用锁可以足够的简单，在使用完锁之后可以自动释放锁，而不是必须手动释放，当返回类型为IDisposable、IAsyncDisposable时，使用完毕后会触发Dispose或DisposeAsync，这样一来就可以使得开发者可以忽略释放锁的逻辑

以本地锁为例:

public class DefaultLocalDistributedLock : IDistributedLock
{
    private readonly MemoryCache<string, SemaphoreSlim> _localObjects = new();

    public IDisposable? TryGet(string key, TimeSpan timeout = default)
    {
        var semaphore = GetSemaphoreSlim(key);

        if (!semaphore.Wait(timeout))
        {
            return null;
        }

        return new DisposeAction(semaphore);
    }

    //todo: 以下省略 TryGetAsync 方法

    private SemaphoreSlim GetSemaphoreSlim(string key)
    {
        ArgumentNullOrWhiteSpaceException.ThrowIfNullOrWhiteSpace(key);
        return _localObjects.GetOrAdd(key, _ => new SemaphoreSlim(1, 1));
    }
}

internal class DisposeAction : IDisposable, IAsyncDisposable
{
    private readonly SemaphoreSlim _semaphore;

    public DisposeAction(SemaphoreSlim semaphore) => _semaphore = semaphore;

    public ValueTask DisposeAsync()
    {
        _semaphore.Release();
        return ValueTask.CompletedTask;
    }

    public void Dispose() => _semaphore.Release();
}