【微服务即时通讯系统】——etcd一致性键值存储系统，etcd的介绍，etcd的安装，etcd使用和功能测试

文章目录

etcd
- 1. etcd的介绍
- - 1.1 etcd的概念
- 2. etcd的安装
- - 2.1 安装etcd
  - 2.2 安装etcd客户端C/C++开发库
- 3. etcd使用
- - 3.1 etcd接口介绍
- 4. etcd使用测试
- - 4.1 原生接口使用测试
  - 4.2 封装etcd使用测试

etcd

在这里插入图片描述

1. etcd的介绍

1.1 etcd的概念

Etcd 是一个基于GO实现的分布式、高可用、一致的一致性键值存储系统， 用于配置共享和服务发现等。它使用 Raft 一致性算法来保持集群数据的一致性，且客户端通过长连接watch 功能，能够及时收到数据变化通知，相较于 Zookeeper 框架更加轻量化。

为什么需要 etcd？

管理共享配置信息：etcd 可以将配置信息集中存储，服务端将配置信息存储于 etcd 中，客户端可以通过 etcd 方便地获取这些配置信息。

服务发现：etcd 可以作为服务注册中心，将服务信息注册到 etcd 中，其他服务可以通过查询 etcd 来获取这些信息。且当服务发生变化时，etcd 可以及时通知，实现服务的自动发现和动态调整。

防止单点故障：为了防止单点故障，可以启动多个 etcd 组成集群。etcd 集群使用 raft 一致性算法来处理日志复制，保证多节点数据的强一致性。

etcd 使用 raft 算法来实现数据的一致性：Raft 算法用于分布式系统，包含主节点选举和数据更新两部分。主节点选举中，从节点在未收到主节点心跳包时可成为候选主节点发起投票，获超半数响应则成为新主节点。数据更新分两阶段，先主节点记录并复制日志，超半数响应后通知客户端，再主节点提交修改并通知从节点提交。

2. etcd的安装

2.1 安装etcd

这是在 Linux 系统（ubuntu） 上安装 Etcd 的基本步骤：

安装 Etcd：

sudo apt-get install etcd

启动 Etcd 服务：

sudo systemctl start etcd

设置 Etcd 开机自启：

sudo systemctl enable etcd

运行验证：

etcdctl put mykey "this is awesome"

如果出现报错：No help topic for 'put'

则 sudo vi /etc/profile 在末尾声明环境变量 ETCDCTL_API=3 以确定 etcd 版本：

export ETCDCTL_API=3

完毕后，加载配置文件，并重新执行测试指令：

dev@Crocodile:~/workspace$ source /etc/profile
dev@Crocodile:~/workspace$ etcdctl put mykey "this is awesome"
OK
dev@Crocodile:~/workspace$ etcdctl get mykey
mykey
this is awesome
dev@Crocodile:~/workspace$ etcdctl del mykey

2.2 安装etcd客户端C/C++开发库

etcd 由 golang 编写，v3 版本使用 grpc API（HTTP2+protobuf）通信，官方仅维护了 go 语言的 client 库。若要使用 C/C++ 语言，需寻找非官方的 etcd client 开发库。

etcd-cpp-apiv3 是一个 etcd 的 C++版本客户端 API。它依赖于 mipsasm, boost, protobuf, gRPC, cpprestsdk 等库。

依赖安装：

sudo apt-get install libboost-all-dev libssl-dev
sudo apt-get install libprotobuf-dev protobuf-compiler-grpc
sudo apt-get install libgrpc-dev libgrpc++-dev 
sudo apt-get install libcpprest-dev

api 框架安装：

git clone https://github.com/etcd-cpp-apiv3/etcd-cpp-apiv3.git

cd etcd-cpp-apiv3

mkdir build && cd build

cmake .. -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr

make -j$(nproc) && sudo make install

3. etcd使用

etcd工作原理：

在这里插入图片描述

etcd 是分布式高可用的一致性键值存储系统用于配置共享和服务发现（Raft 一致性算法来保持集群数据的一致性，且客户端通过长连接 watch 功能，能够及时收到数据变化通知，相较于 Zookeeper 框架更加轻量化）

先创建一个etcd服务器存储键值对数据，主机1可以向服务器进行服务注册，该注册是以一个键值对存储，保存了服务和主机的地址端口，主机2可以获取又主机1向服务器中添加的服务数据，同时主机1对这个服务有一个长连接保活（服务器每个3s进行保活确认），如果服务下线了，etcd服务器就会通知主机2。

在这里插入图片描述

etcd 服务器有设置租约的功能在上面介绍了 client和etcd服务器直接有一个长连接保活(KeepAlive) 这个长连接可以Lease()获取一个租约，同时这个租约和client提供服务设置的租约id一致， etcd 服务器和client直接通过KeepALive长连接保活，如果长连接断开，那么client的键值对数据就无法获取到租约， etcd就会将没有租约的数据进行删除。

租约机制类似房租，没有租约就是房子属于自己，有租约就要定时通过房东续租，否则无法租房。

3.1 etcd接口介绍

//pplx::task 并行库异步结果对象
//阻塞方式 get(): 阻塞直到任务执行完成，并获取任务结果
//非阻塞方式 wait(): 等待任务到达终止状态，然后返回任务状态
namespace etcd {
class Value {
 bool is_dir()；//判断是否是一个目录
 std::string const& key() //键值对的 key 值
 std::string const& as_string()//键值对的 val 值
 
 int64_t lease() //用于创建租约的响应中，返回租约 ID
}

//etcd 会监控所管理的数据的变化，一旦数据产生变化会通知客户端
//在通知客户端的时候，会返回改变前的数据和改变后的数据
class Event {
 enum class EventType {
 PUT, //键值对新增或数据发生改变
 DELETE_,//键值对被删除
 INVALID,
 };
 enum EventType event_type() 
 const Value& kv()
 const Value& prev_kv()
} 

class Response {
 bool is_ok()
 std::string const& error_message()
 Value const& value()//当前的数值 或者 一个请求的处理结果
 Value const& prev_value()//之前的数值
 Value const& value(int index)//
 std::vector<Event> const& events();//触发的事件
} 
class KeepAlive {
 KeepAlive(Client const& client, int ttl, int64_t lease_id = 
0);
 //返回租约 ID
 int64_t Lease();
 //停止保活动作
 void Cancel();
} 

class Client {
 // etcd_url： "http://127.0.0.1:2379"
 Client(std::string const& etcd_url,
 std::string const& load_balancer = "round_robin");
 //Put a new key-value pair 新增一个键值对
 pplx::task<Response> put(std::string const& key, 
 std::string const& value);
 //新增带有租约的键值对 （一定时间后，如果没有续租，数据自动删除）
 pplx::task<Response> put(std::string const& key, 
 std::string const& value,
 const int64_t leaseId);
 //获取一个指定 key 目录下的数据列表
 pplx::task<Response> ls(std::string const& key);
  //创建并获取一个存活 ttl 时间的租约
 pplx::task<Response> leasegrant(int ttl);
 //获取一个租约保活对象，其参数 ttl 表示租约有效时间
 pplx::task<std::shared_ptr<KeepAlive>> leasekeepalive(int 
ttl);
 //撤销一个指定的租约
 pplx::task<Response> leaserevoke(int64_t lease_id);
 //数据锁
 pplx::task<Response> lock(std::string const& key);
} 

class Watcher {
 Watcher(Client const& client, 
 std::string const& key, //要监控的键值对 key
 std::function<void(Response)> callback, //发生改变后的回调
 bool recursive = false); //是否递归监控目录下的所有数据改变
 Watcher(std::string const& address, 
 std::string const& key,
 std::function<void(Response)> callback, 
 bool recursive = false);
 //阻塞等待，直到监控任务被停止
 bool Wait();
 bool Cancel();
}

4. etcd使用测试

4.1 原生接口使用测试

put.cc

#include <etcd/Client.hpp>
#include <etcd/KeepAlive.hpp>
#include <etcd/Response.hpp>
#include <thread>

int main(int argc, char *argv[])
{
    std::string etcd_host="http://127.0.0.1:2379";
    // 实例化客户端对象
    etcd::Client client(etcd_host);

    // 获取租约保活对象，伴随着创建一个指定有效时长的租约
    auto keep_alive=client.leasekeepalive(3).get();
    // 获取租约id
    auto lease_id=keep_alive->Lease();
  
    // 向ectd新增数据
    auto resp1=client.put("/service/user","127.0.0.1:8080",lease_id).get();
    if(resp1.is_ok()==false)
    {
        std::cout<<"新增数据失败: "<<resp1.error_message()<<std::endl;
        return -1;
    }
    auto resp2=client.put("/service/friend","127.0.0.1:9090").get();
    if(resp2.is_ok()==false)
    {
        std::cout<<"新增数据失败: "<<resp2.error_message()<<std::endl;
        return -1;
    }

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(10));

    return 0;
}

get.cc

#include <etcd/Client.hpp>
#include <etcd/KeepAlive.hpp>
#include <etcd/Response.hpp>
#include <etcd/Watcher.hpp>
#include <etcd/Value.hpp>
#include <thread>

// 监控事件发生的回调函数
void callback(const etcd::Response &resp)
{
    if(resp.is_ok()==false)
    {
        std::cout<<"收到一个错误的事件通知："<<resp.error_message()<<std::endl;
        return;
    }
    for(auto const& ev:resp.events())
    {
        if(ev.event_type()==etcd::Event::EventType::PUT)
        {
            std::cout<<"数据发生了改变：\n";
            std::cout<<"当前的值："<<ev.kv().key()<<"-"<<ev.kv().as_string()<<std::endl;
            std::cout<<"原来的值："<<ev.prev_kv().key()<<"-"<<ev.prev_kv().as_string()<<std::endl;
        }
        else if(ev.event_type()==etcd::Event::EventType::DELETE_)
        {
            std::cout<<"服务信息下线被删除：\n";
            std::cout<<"当前的值："<<ev.kv().key()<<"-"<<ev.kv().as_string()<<std::endl;
            std::cout<<"原来的值："<<ev.prev_kv().key()<<"-"<<ev.prev_kv().as_string()<<std::endl;
        }
    }
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    std::string etch_host="http://127.0.0.1:2379";
    
    // 实例化客户端对象 
    etcd::Client client(etch_host);

    // 获取指定的键值对信息
    // 初次先用 ls 获取所有能够提供指定服务/service的实例信息
    auto resp=client.ls("/service").get(); 
    if(resp.is_ok()==false)
    {
        std::cout<<"获取键值对数据失败："<<resp.error_message()<<std::endl;
        return -1;
    }
    int sz=resp.keys().size();
    for(int i=0;i<sz;++i) // 遍历所有可以提供的服务
    {
        std::cout<<resp.value(i).as_string()<<"可以提供"<<resp.key(i)<<"服务\n";
    }

    // 实例化一个键值对事件监控对象
    auto watcher=etcd::Watcher(client,"/service",callback,true); // true递归监控路径下所有函数
    watcher.Wait(); // 开始事件监控

    return 0;
}

makefile

all:put get
put:put.cc
	g++ -std=c++17 $^ -o $@ -letcd-cpp-api -lcpprest
get:get.cc
	g++ -std=c++17 $^ -o $@ -letcd-cpp-api -lcpprest

在这里插入图片描述

4.2 封装etcd使用测试

etcd.hpp

#pragma once
#include <etcd/Client.hpp>
#include <etcd/KeepAlive.hpp>
#include <etcd/Response.hpp>
#include <etcd/Watcher.hpp>
#include <etcd/Value.hpp>
#include <functional>
#include "logger.hpp"

// 封装etcd-client-api 实现两种类型的客户端
// 1. 服务注册客户端：向服务器新增服务信息数据，并进行保活
// 2. 服务发现客户端：从服务器查找服务信息数据，并进行改变世界监控
// etcd本质是一个键值存储系统，并不是专门用于作为注册中心进行服务注册和发现的

// 实现：
// 1. 封装服务注册客户端类，提供接口向服务器新增数据进行保活
//     参数：注册中心地址(etcd服务器地址) 新增的服务信息(服务名-主机地址键值对)
// 2. 封装服务发现客户端类，提供服务上线事件接口，服务下线事件接口，一个设置根目录接口

namespace wh_im{

//服务注册客户端类
class Registry 
{
    public:
        using ptr = std::shared_ptr<Registry>;

        // 服务注册客户端类初始化
        Registry(const std::string &host):
            _client(std::make_shared<etcd::Client>(host)) ,
            _keep_alive(_client->leasekeepalive(3).get()),
            _lease_id(_keep_alive->Lease()){}
        
        ~Registry() 
        {
            _keep_alive->Cancel(); 
        }
        
        // 注册服务键值对，val路径可以提供的服务key
        bool registry(const std::string &key, const std::string &val) 
        {
            // 进行服务键值对注册
            auto resp = _client->put(key, val, _lease_id).get();
            if (resp.is_ok() == false) 
            {
                LOG_ERROR("注册数据失败：{}", resp.error_message());
                return false;
            }
            return true;
        }

    private:
        std::shared_ptr<etcd::Client> _client;        // 客户端
        std::shared_ptr<etcd::KeepAlive> _keep_alive; // 长连接
        uint64_t _lease_id;                           // 租约id
};

//服务发现客户端类
class Discovery 
{
    public:
        using ptr = std::shared_ptr<Discovery>;
        using NotifyCallback = std::function<void(std::string, std::string)>;

        // 服务发现客户端类初始化
        Discovery(const std::string &host,   // 注册中心地址
            const std::string &basedir,      // 基础根目录
            const NotifyCallback &put_cb,    // 上线通知处理回调函数
            const NotifyCallback &del_cb):   // 下线通知处理回调函数
            _client(std::make_shared<etcd::Client>(host)) ,  // 构造客户端对象
            _put_cb(put_cb), _del_cb(del_cb){

            //先进行服务发现,先获取到当前已有的数据
            auto resp = _client->ls(basedir).get();
            if (resp.is_ok() == false) 
            {
                LOG_ERROR("获取服务信息数据失败：{}", resp.error_message());
            }
            int sz = resp.keys().size();
            for (int i = 0; i < sz; ++i) 
            {
                if (_put_cb) _put_cb(resp.key(i), resp.value(i).as_string());
            }

            // 然后进行事件监控，监控数据发生的改变并调用回调进行处理
            _watcher = std::make_shared<etcd::Watcher>(*_client.get(), basedir,
                std::bind(&Discovery::callback, this, std::placeholders::_1), true);
        }

        ~Discovery() 
        {
            _watcher->Cancel();
        }

    private:
        // 设置回调函数
        void callback(const etcd::Response &resp) 
        {
            if (resp.is_ok() == false) 
            {
                LOG_ERROR("收到一个错误的事件通知: {}", resp.error_message());
                return;
            }

            for (auto const& ev : resp.events()) 
            {
                if (ev.event_type() == etcd::Event::EventType::PUT) 
                {
                    if (_put_cb) _put_cb(ev.kv().key(), ev.kv().as_string());
                    LOG_DEBUG("新增服务：{}-{}", ev.kv().key(), ev.kv().as_string());
                }
                else if (ev.event_type() == etcd::Event::EventType::DELETE_) 
                {
                    if (_del_cb) _del_cb(ev.prev_kv().key(), ev.prev_kv().as_string());
                    LOG_DEBUG("下线服务：{}-{}", ev.prev_kv().key(), ev.prev_kv().as_string());
                }
            }
        }

    private:
        NotifyCallback _put_cb;                   // 上线通知回调函数
        NotifyCallback _del_cb;                   // 下线通知回调函数
        std::shared_ptr<etcd::Client> _client;    // 客户端
        std::shared_ptr<etcd::Watcher> _watcher;  // Watcher对象
};

} // end namespace

registry.cc

#include "../../common/logger.hpp"
#include "../../common/etcd.hpp"
#include <gflags/gflags.h>
#include <thread>

DEFINE_bool(run_mode, false, "程序的运行模式, false-调试; true-发布;");
DEFINE_string(log_file,"","发布模式下，用于指定日志的输出文件");
DEFINE_int32(log_level,0,"发布模式下，用于指定日志输出等级");

DEFINE_string(etch_host,"http://127.0.0.1:2379","服务注册中心地址");
DEFINE_string(base_service,"/service","服务监控根目录");
DEFINE_string(instance_name,"/user/instance1","当前实例名称");
DEFINE_string(access_host,"127.0.0.1:8880","当前实例的外部访问地址");

int main(int argc, char *argv[])
{
    google::ParseCommandLineFlags(&argc, &argv, true);
    wh_im::init_logger(FLAGS_run_mode,FLAGS_log_file,FLAGS_log_level);

    wh_im::Registry::ptr rclient=std::make_shared<wh_im::Registry>(FLAGS_etch_host);
    LOG_DEBUG("服务名称：{}",FLAGS_base_service+FLAGS_instance_name);
    rclient->registry(FLAGS_base_service+FLAGS_instance_name,FLAGS_access_host);

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(600));
    return 0;
}

discovery.cc

#include "../../common/logger.hpp"
#include "../../common/etcd.hpp"
#include <gflags/gflags.h>
#include <thread>

DEFINE_bool(run_mode, false, "程序的运行模式, false-调试; true-发布;");
DEFINE_string(log_file,"","发布模式下，用于指定日志的输出文件");
DEFINE_int32(log_level,0,"发布模式下，用于指定日志输出等级");

DEFINE_string(etch_host,"http://127.0.0.1:2379","服务注册中心地址");
DEFINE_string(base_service,"/service","服务监控根目录");

void online(const std::string &service_name, const std::string &service_host)
{
    LOG_DEBUG("上线服务：{}-{}",service_name,service_host);
}

void offline(const std::string &service_name, const std::string &service_host)
{
    LOG_DEBUG("下线服务：{}-{}",service_name,service_host);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    google::ParseCommandLineFlags(&argc, &argv, true);
    wh_im::init_logger(FLAGS_run_mode,FLAGS_log_file,FLAGS_log_level);

    wh_im::Discovery::ptr rclient=std::make_shared<wh_im::Discovery>(FLAGS_etch_host,
        FLAGS_base_service,online,offline);

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(600));

    return 0;
}

makefile

all:discovery registry
discovery:discovery.cc
	g++ -std=c++17 $^ -o $@ -lspdlog -lfmt -lgflags -letcd-cpp-api -lcpprest
registry:registry.cc
	g++ -std=c++17 $^ -o $@ -lspdlog -lfmt -lgflags -letcd-cpp-api -lcpprest