十分鐘搞懂redis原子操作

redis原子操作

我們在使用 Redis 時，不可避免地會遇到並行存取的問題，比如說如果多個使用者同時下單，就會對快取在 Redis 中的商品庫存並行更新。一旦有了並行寫操作，資料就會被修改，如果我們沒有對並行寫請求做好控制，就可能導致資料被改錯，影響到業務的正常使用（例如庫存資料錯誤，導致下單異常）。

為了保證並行存取的正確性，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，在讀取資料前，使用者端需要先獲得鎖，否則就無法進行操作。當一個使用者端獲得鎖後，就會一直持有這把鎖，直到使用者端完成資料更新，才釋放這把鎖。
看上去好像是一種很好的方案，但是，其實這裡會有兩個問題：一個是，如果加鎖操作多，會降低系統的並行存取效能；第二個是，Redis 使用者端要加鎖時，需要用到分散式鎖，而分散式鎖實現複雜，需要用額外的儲存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並行存取控制的方法。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並不需要再加鎖，實現了無鎖操作。這樣一來，既能保證並行控制，還能減少對系統並行效能的影響。

並行存取中需要對什麼進行控制？
我們說的並行存取控制，是指對多個使用者端存取操作同一份資料的過程進行控制，以保證任何一個使用者端傳送的操作在 Redis 範例上執行時具有互斥性。例如，使用者端 A 的存取操作在執行時，使用者端 B 的操作不能執行，需要等到 A 的操作結束後，才能執行。

並行存取控制對應的操作主要是資料修改操作。當用戶端需要修改資料時，基本流程分成兩步：

1. 使用者端先把資料讀取到本地，在本地進行修改；
2. 使用者端修改完資料後，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）。當有多個使用者端對同一份資料執行 RMW 操作的話，我們就需要讓 RMW 操作涉及的程式碼以原子性方式執行。存取同一份資料的 RMW 操作程式碼，就叫做臨界區程式碼。

不過，當有多個使用者端並行執行臨界區程式碼時，就會存在一些潛在問題，接下來，我用一個多使用者端更新商品庫存的例子來解釋一下。

我們先看下臨界區程式碼。假設使用者端要對商品庫存執行扣減 1 的操作，虛擬碼如下所示：

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

可以看到，使用者端首先會根據商品 id，從 Redis 中讀取商品當前的庫存值 current（對應 Read)，然後，使用者端對庫存值減 1（對應 Modify），再把庫存值寫回 Redis（對應 Write）。當有多個使用者端執行這段程式碼時，這就是一份臨界區程式碼。

如果我們對臨界區程式碼的執行沒有控制機制，就會出現資料更新錯誤。在剛才的例子中，假設現在有兩個使用者端 A 和 B，同時執行剛才的臨界區程式碼，就會出現錯誤，你可以看下下面這張圖。

可以看到，使用者端 A 在 t1 時讀取庫存值 10 並扣減 1，在 t2 時，使用者端 A 還沒有把扣減後的庫存值 9 寫回 Redis，而在此時，使用者端 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，使用者端 A 和 B 對庫存值各做了一次扣減，庫存值應該為 8。所以，這裡的庫存值明顯更新錯了。

出現這個現象的原因是，臨界區程式碼中的使用者端讀取資料、更新資料、再寫回資料涉及了三個操作，而這三個操作在執行時並不具有互斥性，多個使用者端基於相同的初始值進行修改，而不是基於前一個使用者端修改後的值再修改。

為了保證資料並行修改的正確性，我們可以用鎖把並行操作變成序列操作，序列操作就具有互斥性。一個使用者端持有鎖後，其他使用者端只能等到鎖釋放，才能拿鎖再進行修改。

下面的虛擬碼顯示了使用鎖來控制臨界區程式碼的執行情況，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並行效能降低。

如下圖所示，當用戶端 A 加鎖執行操作時，使用者端 B、C 就需要等待。A 釋放鎖後，假設 B 拿到鎖，那麼 C 還需要繼續等待，所以，t1 時段內只有 A 能存取共用資料，t2 時段內只有 B 能存取共用資料，系統的並行效能當然就下降了。

和加鎖類似，原子操作也能實現並行控制，但是原子操作對系統並行效能的影響較小，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

為了實現並行控制要求的臨界區程式碼互斥執行，Redis 的原子操作採用了兩種方法：

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 指令碼中，以原子性方式執行單個 Lua 指令碼。

我們先來看下 Redis 本身的單命令操作。

Redis 是使用單執行緒來序列處理使用者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，這相當於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，可以使用後臺執行緒或者是子程序執行，也就是和主執行緒的操作並行執行。不過，這些操作只是讀取資料，不會修改資料，所以，我們並不需要對它們做並行控制。

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，資料修改時可能包含多個操作，至少包括讀資料、資料增減、寫回資料三個操作，這顯然就不是單個命令操作了，那該怎麼辦呢？

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 命令可以對資料進行增值 / 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，使用者端可以使用下面的程式碼，直接完成對商品 id 的庫存值減 1 操作。即使有多個使用者端執行下面的程式碼，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 操作是對資料進行增減值的話，Redis 提供的原子操作 INCR 和 DECR 可以直接幫助我們進行並行控制。

但是，如果我們要執行的操作不是簡單地增減資料，而是有更加複雜的判斷邏輯或者是其他操作，那麼，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 指令碼。

Redis 會把整個 Lua 指令碼作為一個整體執行，在執行的過程中不會被其他命令打斷，從而保證了 Lua 指令碼中操作的原子性。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 指令碼中。
然後，我們可以使用 Redis 的 EVAL 命令來執行指令碼。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。
當一個業務應用的存取使用者增加時，我們有時需要限制某個使用者端在一定時間範圍內的存取次數，比如爆款商品的購買限流、社群網路中的每分鐘點贊次數限制等。

那該怎麼限制呢？我們可以把使用者端 IP 作為 key，把使用者端的存取次數作為 value，儲存到 Redis 中。使用者端每存取一次後，我們就用 INCR 增加存取次數。

不過，在這種場景下，使用者端限流其實同時包含了對存取次數和時間範圍的限制，例如每分鐘的存取次數不能超過 20。所以，我們可以在使用者端第一次存取時，給對應鍵值對設定過期時間，例如設定為 60s 後過期。同時，在使用者端每次存取時，我們讀取使用者端當前的存取次數，如果次數超過閾值，就報錯，限制使用者端再次存取。你可以看下下面的這段程式碼，它實現了對使用者端每分鐘存取次數不超過 20 次的限制。

//獲取ip對應的存取次數
current = GET(ip)
//如果超過存取次數超過20次，則報錯
IF current != NULL AND current > 20 THEN
    ERROR "exceed 20 accesses per second"
ELSE
    //如果存取次數不足20次，增加一次存取計數
    value = INCR(ip)
    //如果是第一次存取，將鍵值對的過期時間設定為60s後
    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，使用者端限流的邏輯不只有計數，還包括存取次數判斷和過期時間設定。

對於這些操作，我們同樣需要保證它們的原子性。否則，如果使用者端使用多執行緒存取，存取次數初始值為 0，第一個執行緒執行了 INCR(ip) 操作後，第二個執行緒緊接著也執行了 INCR(ip)，此時，ip 對應的存取次數就被增加到了 2，我們就無法再對這個 ip 設定過期時間了。這樣就會導致，這個 ip 對應的使用者端存取次數達到 20 次之後，就無法再進行存取了。即使過了 60s，也不能再繼續存取，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 指令碼來保證並行控制。我們可以把存取次數加 1、判斷存取次數是否為 1，以及設定過期時間這三個操作寫入一個 Lua 指令碼，如下所示：

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

假設我們編寫的指令碼名稱為 lua.script，我們接著就可以使用 Redis 使用者端，帶上 eval 選項，來執行該指令碼。指令碼所需的引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，存取次數加 1、判斷存取次數是否為 1，以及設定過期時間這三個操作就可以原子性地執行了。即使使用者端有多個執行緒同時執行這個指令碼，Redis 也會依次序列執行指令碼程式碼，避免了並行操作帶來的資料錯誤。

推薦學習：《》、《》

以上就是十分鐘搞懂redis原子操作的詳細內容，更多請關注TW511.COM其它相關文章！