Redis核心技术与实战

实践篇

29 | 无锁的原子操作：Redis如何应对并发访问？

为了保证并发访问的正确性，Redis 提供了两种方法，分别是加锁和原子操作。

加锁是一种常用的方法，在读取数据前，客户端需要先获得锁，否则就无法进行操作。当一个客户端获得锁后，就会一直持有这把锁，直到客户端完成数据更新，才释放这把锁。加锁有两个问题：

• 一个是，如果加锁操作多，会降低系统的并发访问性能；
• 第二个是，Redis 客户端要加锁时，需要用到分布式锁，而分布式锁实现复杂，需要用额外的存储系统来提供加解锁操作。

原子操作是指执行过程保持原子性的操作，而且原子操作执行时并不需要再加锁，实现了无锁操作。既能保证并发控制，还能减少对系统并发性能的影响。

并发访问中需要对什么进行控制？

并发访问控制，是指对多个客户端访问操作同一份数据的过程进行控制，以保证任何一个客户端发送的操作在 Redis 实例上执行时具有互斥性。例如，客户端 A 的访问操作在执行时，客户端 B 的操作不能执行，需要等到 A 的操作结束后，才能执行。

并发访问控制对应的操作主要是数据修改操作。当客户端需要修改数据时，基本流程分成两步：

1. 客户端先把数据读取到本地，在本地进行修改；
2. 客户端修改完数据后，再写回 Redis。

这个流程叫做“读取 - 修改 - 写回”操作（Read-Modify-Write，简称为 RMW 操作）。当有多个客户端对同一份数据执行 RMW 操作，需要让 RMW 操作涉及的代码以原子性方式执行。访问同一份数据的 RMW 操作代码，就叫做临界区代码。

如果对临界区代码的执行没有控制机制，就会出现数据更新错误。假设现在有两个客户端 A 和 B，同时执行刚才的临界区代码，就会出现错误，如下图：

出现图中现象，是因为临界区代码中的客户端读取数据、更新数据、再写回数据涉及三个操作，而这三个操作在执行时并不具有互斥性，多个客户端基于相同的初始值进行修改，而不是基于前一个客户端修改后的值再修改。

Redis 的两种原子操作方法

为了实现并发控制要求的临界区代码互斥执行，Redis 的原子操作采用了两种方法：

• 把多个操作在 Redis 中实现成一个操作，也就是单命令操作；
• 把多个操作写到一个 Lua 脚本中，以原子性方式执行单个 Lua 脚本。

Redis 使用单线程来串行处理客户端的请求操作命令，所以，当 Redis 执行某个命令操作时，其他命令无法执行，相当于命令操作互斥执行。当然，Redis 的快照生成、AOF 重写这些操作，可以使用后台线程或者是子进程执行，也就是和主线程的操作并行执行。不过，这些操作只是读取数据，不会修改数据，所以，并不需要对它们做并发控制。
虽然 Redis 的单个命令操作可以原子性地执行，但是在实际应用中，数据修改时可能包含多个操作，至少包括读数据、数据增减、写回数据三个操作，非原子操作，无法保证并发安全。

Redis 提供了 INCR/DECR 命令，把这三个操作转变为一个原子操作。INCR/DECR 命令可以对数据进行增值 / 减值操作，而且它们本身就是单个命令操作，Redis 在执行它们时，本身就具有互斥性。如果执行的 RMW 操作是对数据进行增减值的话，Redis 提供的原子操作 INCR 和 DECR 可以直接进行并发控制。

但是，如果要执行的操作不是简单地增减数据，而是有更加复杂的判断逻辑或者是其他操作，Redis 的单命令操作则无法保证多个操作的互斥执行。 所以，这个时候，需要使用Lua 脚本的方法。
Redis 会把整个 Lua 脚本作为一个整体执行，在执行的过程中不会被其他命令打断，从而保证 Lua 脚本中操作的原子性。 如果有多个操作要执行，但是又无法用 INCR/DECR 这种命令操作来实现，就可以把这些要执行的操作编写到一个 Lua 脚本中。然后，可以使用 Redis 的 EVAL 命令来执行脚本。这样，这些操作在执行时就具有了互斥性。

示例
当一个业务应用的访问用户增加时，有时需要限制某个客户端在一定时间范围内的访问次数，比如爆款商品的购买限流、社交网络中的每分钟点赞次数限制等。
在这种场景下，客户端限流其实同时包含了对访问次数和时间范围的限制。伪代码如下：

//获取ip对应的访问次数
current = GET(ip)
//如果超过访问次数超过20次，则报错
IF current != NULL AND current > 20 THEN
    ERROR "exceed 20 accesses per second"
ELSE
    //如果访问次数不足20次，增加一次访问计数
    value = INCR(ip)
    //如果是第一次访问，将键值对的过期时间设置为60s后
    IF value == 1 THEN
        EXPIRE(ip,60)
    END
    //执行其他操作
    DO THINGS
END

对于这些操作，需要保证它们的原子性。否则，如果客户端使用多线程访问，访问次数初始值为 0，第一个线程执行了 INCR(ip) 操作后，第二个线程紧接着也执行了 INCR(ip)，此时，ip 对应的访问次数就被增加到了 2，就无法再对这个 ip 设置过期时间了。这就会导致，这个 ip 对应的客户端访问次数达到 20 次之后，就无法再进行访问。即使过了 60s，也不能再继续访问，显然不符合业务要求。

这个例子中的操作无法用 Redis 单个命令来实现，此时，可以使用 Lua 脚本来保证并发控制。可以把访问次数加 1、判断访问次数是否为 1，以及设置过期时间这三个操作写入一个 Lua 脚本，如下所示：

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

接着就可以使用 Redis 客户端，带上 eval 选项，来执行该脚本。脚本所需的参数将通过以下命令中的 keys 和 args 进行传递。

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

即使客户端有多个线程同时执行这个脚本，Redis 也会依次串行执行脚本代码，避免了并发操作带来的数据错误（Redis 使用单线程来串行处理客户端的请求操作命令）。