ETCD探索-Lease

梗概

租约，是ETCD的重要特性，用于实现key定时删除功能。与Redis的定时删除功能基本一致。

猜想

我们通常是这么使用Lease的，首先申请一个租约：lease，然后将这个租约赋给一对KeyValue。

ETCD-Lease的实现不难，在讨论怎么实现之前，可以先猜测下。
我的直观想法：

func putWithLease(key string, value string, ttl int) {
    go func() {
        time.Sleep(ttl * time.Second)
        
        delete(key)
    }()
    
    put(key, value)
}

简单说明，当put一对kv时，开启一个协程用于计时。当过了ttl后，将该key删除。

这么做可以实现key的定时删除功能，但有一些问题：

• 不容易续租（续租：延长ttl）
• 不容易提前删除租约

之所以说不容易，是说你可以通过添加复杂的逻辑实现这些功能，但这样做有一个无法避免的问题：

• 当租约很多时，协程就会很多

虽然起一个协程成本很低，但过多的协程对资源浪费严重，还有可能被操纵系统强行kill。

那么我们来看下ETCD是如何实现Lease的

实现

结构体介绍

• backend

在我们对MVCC的介绍中，我们知道ETCD的数据最终都是存在backend结构体中，所以backend掌握了对数据的增、删、改、查。租约使用了backend的删除能力。

• Lease

租约，包含租约ID、ttl、过期时间等属性。

• LeaseItem

只有一个属性：key。即保存了租约依附的key。说白了就是Key

• LeaseQueue

租约队列，多个租约是以队列的形式保存在LeaseQueue中。

• Lessor

对租约的封装。暴露出一系列操作租约的方法，比如创建、销毁、延长租约的方法。

如何使用租约

我如果想给key=foo绑定一个租约，并且时间过期后将key删除

func testLease() {
    le := newLessor()    // 创建一个lessor
    le.Promote(0)        // 将lessor设置为Primary，这个与raft会出现网络分区有关，不了解可以忽略
    
    go func() {          // 开启一个协程，接收过期的key，主动删除
        for {  
           expireLease := <-le.ExpiredLeasesC()  

           for _, v := range expireLease {  
              le.Revoke(v.ID)    // 通过租约ID删除租约，删除租约时会从backend中删除绑定的key
           }  
        }
    }()
    
    ttl = 5                      // 过期时间设置5s
    lease := le.Grant(id, ttl)   // 申请一个租约
    
    le.Attach(lease, "foo")      // 将租约绑定在"foo"上
    
    time.Sleep(10 * time.Second) // 阻塞10s，方便看到结果
}

以上展示了是如何使用lessor这个结构体的。不难看出，lessor提供了Grant、Revoke、Attach等一系列对租约的操作。同时有一点需要注意，lessor不会主动删除过期的租约，而是将过期的lease通过一个chan发送出来，由使用者主动删除。

首先我们看下Grant，申请一个租约的过程

lessor中维护了三个数据结构

• LeaseMap
  map[LeaseID]*Lease 用于根据LeaseID快速找到*Lease
• ItemMap
  map[LeaseItem]LeaseID 用于根据LeaseItem快速找到LeaseID，从而找到*Lease
• LeaseExpiredNotifier
  LeaseExpiredNotifier是对LeaseQueue的一层封装，他实现了快要到期的租约永远在队头。

正如图中所述，LeaseQueue是一个优先级队列，每次插入都会根据过期时间插入到合适的位置。通过这个队列，我们只需要不断检查队头的租约是否到期即可，而避免了猜想中的方法，为每一个租约起一个协程。

关于优先级队列，普遍的做法都是用堆来实现，ETCD中也不例外，他用的是GO标准库中的container/heap来实现的。这里不具体说了。

从图中可以看出，当Grant一个租约l时，l被同时放到了LeaseMap和LeaseExpiredNotifier中。

在队列头，有一个工作协程revokeExpiredLeases不断的查看队头的租约是否过期，如果过期就放入expiredChan中，不过此时不会pop。(只有revoke才会从队头删除)

再看下Attach的过程

Attach首先用LeaseID去LeaseMap中查询租约是否存在，如果没有这个租约返回错误。
租约存在则首先将Item保存到对应的租约下（图中没有注明），后将Item和LeaseID保存在ItemMap中。

最后看下Revoke过程

通常会有一个协程不断消费expiredChan，将过期的租约Revoke。
Revoke首先根据LeaseID从LeaseMap找到对于的Lease并从LeaseMap中删除，后从Lease中找到绑定的Key，从Backend中将KeyValue删除。

以上便是ETCD-Lease的核心逻辑，与猜想中的方案对比，我认为最主要的是优先级队列的使用。

Lessor还有一个概念是Primary，只有ETCD集群中的Leader拥有的Lessor是Primary。也只有是Primary的Lessor可以操作租约。因为与Raft相关，而且与Lease的核心逻辑无关，这里不多介绍。

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