Lua脚本在Redis事务中的应用实践

Posted 2022-09-22

使用过Redis事务的应该清楚，Redis事务实现是通过打包多条命令，单独的隔离操作，事务中的所有命令都会按顺序地执行。事务在执行的过程中，不会被其他客户端发送来的命令请求所打断。事务中的命令要么全部被执行，要么全部都不执行（原子操作）。但其中有命令因业务原因执行失败并不会阻断后续命令的执行，且也无法回滚已经执行过的命令。如果想要实现和mysql一样的事务处理可以使用Lua脚本来实现，Lua脚本中可实现简单的逻辑判断，执行中止等操作。

1 初始Lua脚本

Lua是一个小巧的脚本语言，Redis 脚本使用 Lua 解释器来执行脚本。 Reids 2.6 版本通过内嵌支持 Lua 环境。执行脚本的常用命令为 EVAL。编写Lua脚本就和编写shell脚本一样的简单。Lua语言详细教程参见

示例：

--[[
    version:1.0
    检测key是否存在，如果存在并设置过期时间
    入参列表：
        参数个数量：1
        KEYS[1]:goodsKey 商品Key

    返回列表code:
        +0：不存在
        +1：存在
--]]
local usableKey = KEYS[1]

--[ 判断usableKey在Redis中是否存在 存在将过期时间延长1分钟 并返回是否存在结果--]
local usableExists = redis.call(EXISTS, usableKey)
if (1 == usableExists) then
    redis.call(PEXPIRE, usableKey, 60000)
end
return  usableExists 

1. 示例代码中redis.call(), 是Redis内置方法，用与执行redis命令
2. if () then end 是Lua语言基本分支语法
3. KEYS 为Redis环境执行Lua脚本时Redis Key 参数，如果使用变量入参使用ARGV接收
4. “—”代表单行注释 “—[[ 多行注释 —]]”

2 实践应用

2.1 需求分析

经典案例需求：库存量扣减并检测库存量是否充足。

基础需求分析：商品当前库存量>=扣减数量时，执行扣减。商品当前库存量<扣减数量时，返回库存不足

实现方案分析：

1）MySQL事务实现：

• 利用DB行级锁，锁定要扣减商品库存量数据，再判断库存量是否充足，充足执行扣减，否则返回库存不足。
• 执行库存扣减，再判断扣减后结果是否小于0，小于0说明库存不足，事务回滚，否则提交事务。

2）方案优缺点分析：

• 优点：MySQL天然支持事务，实现难度低。
• 缺点：不考虑热点商品场景，当业务量达到一定量级时会达到MySQL性能瓶颈，单库无法支持业务时扩展问题成为难点，分表、分库等方案对功能开发、业务运维、数据运维都须要有针对于分表、分库方案所配套的系统或方案。对于系统改造实现难度较高。

Redis Lua脚本事务实现：将库存扣减判断库存量最小原子操作逻辑编写为Lua脚本。

• 从DB中初始化商品库存数量，利用Redis WATCH命令。
• 判断商品库存量是否充足，充足执行扣减，否则返回库存不足。
• 执行库存扣减，再判断扣减后结果是否小于0，小于0说明库存不足，反向操作增加减少库存量，返回操作结果

方案优缺点分析：

• 优点：Redis命令执行单线程特性，无须考虑并发锁竟争所带来的实现复杂度。Redis天然支持Lua脚本，Lua语言学习难度低，实现与MySQL方案难度相当。Redis同一时间单位支持的并发量比MySQL大，执行耗时更小。对于业务量的增长可以扩容Redis集群分片。
• 缺点：暂无

2.2 Redis Lua脚本事务方案实现

初始化商品库存量：

//利用Watch 命令乐观乐特性，减少锁竞争所损耗的性能
 public boolean init(InitStockCallback initStockCallback, InitOperationData initOperationData) 
 //SessionCallback 会话级Rdis事务回调接口 针对于operations所有操作将在同一个Redis tcp连接上完成
List<Object> result = stringRedisTemplate.execute(new SessionCallback<List<Object>>() 
            public List<Object> execute(RedisOperations operations) 
                Assert.notNull(operations, "operations must not be null");
//Watch 命令用于监视一个(或多个) key ，如果在事务执行之前这个(或这些) key 被其他命令所改动，那么事务将被打断
//当出前并发初始化同一个商品库存量时，只有一个能成功
                operations.watch(initOperationData.getWatchKeys());
                int initQuantity;
                try 
//查询DB商品库存量
                    initQuantity = initStockCallback.getInitQuantity(initOperationData);
                 catch (Exception e) 
                    //异常后释放watch
                    operations.unwatch();
                    throw e;
                
//开启Reids事务
                operations.multi();
//setNx设置商品库存量
                operations.opsForValue().setIfAbsent(initOperationData.getGoodsKey(), String.valueOf(initQuantity));
//设置商品库存量 key 过期时间
                operations.expire(initOperationData.getGoodsKey(), Duration.ofMinutes(60000L));
///执行事事务
                return operations.exec();
            
        );
//判断事务执行结果
        if (!CollectionUtils.isEmpty(result) && result.get(0) instanceof Boolean) 
            return (Boolean) result.get(0);
        
        return false;
    

库存扣减逻辑

--[[
    version:1.0
    减可用库存
    入参列表：
        参数个数量：
        KEYS[1]:usableKey 商品可用量Key
        KEYS[3]:usableSubtractKey 减量记录key
        KEYS[4]:operateKey 操作防重Key
        KEYS[5]:hSetRecord 记录操作单号信息
        ARGV[1]:quantity操作数量
        ARGV[2]:version 操作版本号
        ARGV[5]:serialNumber 单据流水编码
        ARGV[6]:record 是否记录过程量
    返回列表：
        +1：操作成功
         0: 操作失败
        -1: KEY不存在
        -2：重复操作
        -3: 库存不足
        -4：过期操作
        -5：缺量库存不足
        -6：可用负库存
--]]
local usableKey = KEYS[1];
local usableSubtractKey = KEYS[3]
local operateKey = KEYS[4]
local hSetRecord = KEYS[5]

local quantity = tonumber(ARGV[1])
local version = ARGV[2]
local serialNumber = ARGV[5]

--[ 判断商品库存key是否存在 不存在返回-1 --]
local usableExists = redis.call(EXISTS, usableKey);
if (0 == usableExists) then
    return  -1, version, 0, 0 ;
end

--[ 设置防重key 设置失败说明操作重复返回-2 --]
local isNotRepeat = redis.call(SETNX, operateKey, version);
if (0 == isNotRepeat) then
    redis.call(SET, operateKey, version);
    return  -2, version, quantity, 0 ;
end


--[ 商品库存量扣减后小0 说明库存不足 回滚扣减数量 并清除防重key立即过期 返回-3 --]
local usableResult = redis.call(DECRBY, usableKey, quantity);
if ( usableResult < 0) then
    redis.call(INCRBY, usableKey, quantity);
    redis.call(PEXPIRE, operateKey, 0);
    return  -3, version, 0, usableResult ;
end

--[ 记录扣减量并设置防重key 30天后过期 返回 1--]
-- [ 需要记录过程量与过程单据信息 --]
local usableSubtractResult = redis.call(INCRBY, usableSubtractKey, quantity);
redis.call(HSET, hSetRecord, serialNumber, quantity)
redis.call(PEXPIRE, hSetRecord, 3600000)
redis.call(PEXPIRE, operateKey, 2592000000)
redis.call(PEXPIRE, usableKey, 3600000)
return  1, version, quantity, 0, usableResult ,usableSubtractResult

初始化Lua脚本到Redis服务器

//读取Lua脚本文件
    private String readLua(File file) 
        StringBuilder sbf = new StringBuilder();
        try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader(file))) 
            String temp;
            while (Objects.nonNull(temp = reader.readLine())) 
                sbf.append(temp);
                sbf.append(\\n);
            
            return sbf.toString();
         catch (FileNotFoundException e) 
            LOGGER.error("[]文件不存在", file.getPath());
         catch (IOException e) 
            LOGGER.error("[]文件读取异常", file.getPath());
        
        return null;
    
//初始化Lua脚本到Redis服务器 成功后会返回脚本对应的sha1码，系统缓存脚本sha1码，
//通过sha1码可以在Redis服务器执行对应的脚本
public String scriptLoad(File file) 
String script = readLua(file)
   return stringRedisTemplate.execute((RedisCallback<String>) connection -> connection.scriptLoad(script.getBytes()));

脚本执行

public OperationResult eval（);
//执行Lua脚本 keys 为Lua脚本中使用到的KEYS args为Lua脚本中使用到的ARGV参数
//如果是在Redis集群模式下，同一个脚本中的多个key,要满足多个key在同一个分片
//服务器开启hash tag功能，多个key 使用将相同部分包裹 
//例：usableKey:EMG123 operateKey:operate:EMG123 
Object result = stringRedisTemplate.execute(redisScriptSha1, keys, args);
//解析执行结果        
return parseResult(operationData, result);
    

3 总结

Redis在小数据操作并发可达到10W,针对与业务中对资源强校验且高并发场景下使用Redis配合Lua脚本完成简单逻辑处理抗并发量是个不错的选择。

注：Lua脚本逻辑尽量简单，Lua脚本实用于耗时短且原子操作。耗时长影响Redis服务器性能，非原子操作或逻辑复杂会增加于脚本调试与维度难度。理想状态是将业务用Lua脚本包装成一个如Redis命令一样的操作。

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作者：王纯