redis原子操作實例分析

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redis原子操作

我們在使用 Redis 時，不可避免地會遇到并發訪問的問題，比如說如果多個用戶同時下單，就會對緩存在 Redis 中的商品庫存并發更新。一旦有了并發寫操作，數據就會被修改，如果我們沒有對并發寫請求做好控制，就可能導致數據被改錯，影響到業務的正常使用（例如庫存數據錯誤，導致下單異常）。

為了保證并發訪問的正確性，Redis 提供了兩種方法，分別是加鎖和原子操作。

加鎖是一種常用的方法，在讀取數據前，客戶端需要先獲得鎖，否則就無法進行操作。當一個客戶端獲得鎖后，就會一直持有這把鎖，直到客戶端完成數據更新，才釋放這把鎖。
看上去好像是一種很好的方案，但是，其實這里會有兩個問題：一個是，如果加鎖操作多，會降低系統的并發訪問性能；第二個是，Redis 客戶端要加鎖時，需要用到分布式鎖，而分布式鎖實現復雜，需要用額外的存儲系統來提供加解鎖操作，我會在下節課向你介紹。

原子操作是另一種提供并發訪問控制的方法。原子操作是指執行過程保持原子性的操作，而且原子操作執行時并不需要再加鎖，實現了無鎖操作。這樣一來，既能保證并發控制，還能減少對系統并發性能的影響。

并發訪問中需要對什么進行控制？
我們說的并發訪問控制，是指對多個客戶端訪問操作同一份數據的過程進行控制，以保證任何一個客戶端發送的操作在 Redis 實例上執行時具有互斥性。例如，客戶端 A 的訪問操作在執行時，客戶端 B 的操作不能執行，需要等到 A 的操作結束后，才能執行。

并發訪問控制對應的操作主要是數據修改操作。當客戶端需要修改數據時，基本流程分成兩步：

1. 客戶端先把數據讀取到本地，在本地進行修改；

2. 客戶端修改完數據后，再寫回 Redis。

我們把這個流程叫做“讀取 - 修改 - 寫回”操作（Read-Modify-Write，簡稱為 RMW 操作）。當有多個客戶端對同一份數據執行 RMW 操作的話，我們就需要讓 RMW 操作涉及的代碼以原子性方式執行。訪問同一份數據的 RMW 操作代碼，就叫做臨界區代碼。

不過，當有多個客戶端并發執行臨界區代碼時，就會存在一些潛在問題，接下來，我用一個多客戶端更新商品庫存的例子來解釋一下。

我們先看下臨界區代碼。假設客戶端要對商品庫存執行扣減 1 的操作，偽代碼如下所示：

current = GET(id)
current--
SET(id, current)

可以看到，客戶端首先會根據商品 id，從 Redis 中讀取商品當前的庫存值 current（對應 Read)，然后，客戶端對庫存值減 1（對應 Modify），再把庫存值寫回 Redis（對應 Write）。當有多個客戶端執行這段代碼時，這就是一份臨界區代碼。

如果我們對臨界區代碼的執行沒有控制機制，就會出現數據更新錯誤。在剛才的例子中，假設現在有兩個客戶端 A 和 B，同時執行剛才的臨界區代碼，就會出現錯誤，你可以看下下面這張圖。

可以看到，客戶端 A 在 t1 時讀取庫存值 10 并扣減 1，在 t2 時，客戶端 A 還沒有把扣減后的庫存值 9 寫回 Redis，而在此時，客戶端 B 讀到庫存值 10，也扣減了 1，B 記錄的庫存值也為 9 了。等到 t3 時，A 往 Redis 寫回了庫存值 9，而到 t4 時，B 也寫回了庫存值 9。

如果按正確的邏輯處理，客戶端 A 和 B 對庫存值各做了一次扣減，庫存值應該為 8。所以，這里的庫存值明顯更新錯了。

出現這個現象的原因是，臨界區代碼中的客戶端讀取數據、更新數據、再寫回數據涉及了三個操作，而這三個操作在執行時并不具有互斥性，多個客戶端基于相同的初始值進行修改，而不是基于前一個客戶端修改后的值再修改。

為了保證數據并發修改的正確性，我們可以用鎖把并行操作變成串行操作，串行操作就具有互斥性。一個客戶端持有鎖后，其他客戶端只能等到鎖釋放，才能拿鎖再進行修改。

下面的偽代碼顯示了使用鎖來控制臨界區代碼的執行情況，你可以看下。

LOCK()
current = GET(id)
current--
SET(id, current)
UNLOCK()

雖然加鎖保證了互斥性，但是加鎖也會導致系統并發性能降低。

如下圖所示，當客戶端 A 加鎖執行操作時，客戶端 B、C 就需要等待。A 釋放鎖后，假設 B 拿到鎖，那么 C 還需要繼續等待，所以，t1 時段內只有 A 能訪問共享數據，t2 時段內只有 B 能訪問共享數據，系統的并發性能當然就下降了。

和加鎖類似，原子操作也能實現并發控制，但是原子操作對系統并發性能的影響較小，接下來，我們就來了解下 Redis 中的原子操作。

Redis 的兩種原子操作方法

為了實現并發控制要求的臨界區代碼互斥執行，Redis 的原子操作采用了兩種方法：

1. 把多個操作在 Redis 中實現成一個操作，也就是單命令操作；

2. 把多個操作寫到一個 Lua 腳本中，以原子性方式執行單個 Lua 腳本。

我們先來看下 Redis 本身的單命令操作。

Redis 是使用單線程來串行處理客戶端的請求操作命令的，所以，當 Redis 執行某個命令操作時，其他命令是無法執行的，這相當于命令操作是互斥執行的。當然，Redis 的快照生成、AOF 重寫這些操作，可以使用后臺線程或者是子進程執行，也就是和主線程的操作并行執行。不過，這些操作只是讀取數據，不會修改數據，所以，我們并不需要對它們做并發控制。

你可能也注意到了，雖然 Redis 的單個命令操作可以原子性地執行，但是在實際應用中，數據修改時可能包含多個操作，至少包括讀數據、數據增減、寫回數據三個操作，這顯然就不是單個命令操作了，那該怎么辦呢？

別擔心，Redis 提供了 INCR/DECR 命令，把這三個操作轉變為一個原子操作了。INCR/DECR 命令可以對數據進行增值 / 減值操作，而且它們本身就是單個命令操作，Redis 在執行它們時，本身就具有互斥性。

比如說，在剛才的庫存扣減例子中，客戶端可以使用下面的代碼，直接完成對商品 id 的庫存值減 1 操作。即使有多個客戶端執行下面的代碼，也不用擔心出現庫存值扣減錯誤的問題。

DECR id

所以，如果我們執行的 RMW 操作是對數據進行增減值的話，Redis 提供的原子操作 INCR 和 DECR 可以直接幫助我們進行并發控制。

但是，如果我們要執行的操作不是簡單地增減數據，而是有更加復雜的判斷邏輯或者是其他操作，那么，Redis 的單命令操作已經無法保證多個操作的互斥執行了。所以，這個時候，我們需要使用第二個方法，也就是 Lua 腳本。

Redis 會把整個 Lua 腳本作為一個整體執行，在執行的過程中不會被其他命令打斷，從而保證了 Lua 腳本中操作的原子性。如果我們有多個操作要執行，但是又無法用 INCR/DECR 這種命令操作來實現，就可以把這些要執行的操作編寫到一個 Lua 腳本中。
然后，我們可以使用 Redis 的 EVAL 命令來執行腳本。這樣一來，這些操作在執行時就具有了互斥性。

再舉個例子，具體解釋下 Lua 的使用。
當一個業務應用的訪問用戶增加時，我們有時需要限制某個客戶端在一定時間范圍內的訪問次數，比如爆款商品的購買限流、社交網絡中的每分鐘點贊次數限制等。

那該怎么限制呢？我們可以把客戶端 IP 作為 key，把客戶端的訪問次數作為 value，保存到 Redis 中。客戶端每訪問一次后，我們就用 INCR 增加訪問次數。

不過，在這種場景下，客戶端限流其實同時包含了對訪問次數和時間范圍的限制，例如每分鐘的訪問次數不能超過 20。所以，我們可以在客戶端第一次訪問時，給對應鍵值對設置過期時間，例如設置為 60s 后過期。同時，在客戶端每次訪問時，我們讀取客戶端當前的訪問次數，如果次數超過閾值，就報錯，限制客戶端再次訪問。你可以看下下面的這段代碼，它實現了對客戶端每分鐘訪問次數不超過 20 次的限制。

//獲取ip對應的訪問次數
current = GET(ip)
//如果超過訪問次數超過20次，則報錯
IF current != NULL AND current > 20 THEN
    ERROR "exceed 20 accesses per second"
ELSE
    //如果訪問次數不足20次，增加一次訪問計數
    value = INCR(ip)
    //如果是第一次訪問，將鍵值對的過期時間設置為60s后
    IF value == 1 THEN
        EXPIRE(ip,60)
    END
    //執行其他操作
    DO THINGS
END

可以看到，在這個例子中，我們已經使用了 INCR 來原子性地增加計數。但是，客戶端限流的邏輯不只有計數，還包括訪問次數判斷和過期時間設置。

對于這些操作，我們同樣需要保證它們的原子性。否則，如果客戶端使用多線程訪問，訪問次數初始值為 0，第一個線程執行了 INCR(ip) 操作后，第二個線程緊接著也執行了 INCR(ip)，此時，ip 對應的訪問次數就被增加到了 2，我們就無法再對這個 ip 設置過期時間了。這樣就會導致，這個 ip 對應的客戶端訪問次數達到 20 次之后，就無法再進行訪問了。即使過了 60s，也不能再繼續訪問，顯然不符合業務要求。

所以，這個例子中的操作無法用 Redis 單個命令來實現，此時，我們就可以使用 Lua 腳本來保證并發控制。我們可以把訪問次數加 1、判斷訪問次數是否為 1，以及設置過期時間這三個操作寫入一個 Lua 腳本，如下所示：

local current
current = redis.call("incr",KEYS[1])
if tonumber(current) == 1 then
    redis.call("expire",KEYS[1],60)
end

假設我們編寫的腳本名稱為 lua.script，我們接著就可以使用 Redis 客戶端，帶上 eval 選項，來執行該腳本。腳本所需的參數將通過以下命令中的 keys 和 args 進行傳遞。

redis-cli  --eval lua.script  keys , args

這樣一來，訪問次數加 1、判斷訪問次數是否為 1，以及設置過期時間這三個操作就可以原子性地執行了。即使客戶端有多個線程同時執行這個腳本，Redis 也會依次串行執行腳本代碼，避免了并發操作帶來的數據錯誤。

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