Redis学习笔记29——无锁的原子操作：Redis如何应对并发访问

Posted 2021-08-10 qq_34132502

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。

但是加锁会遇到两个问题：

• 首先是加锁操作过多会降低系统的并发访问性能
• 其次，Redis客户端要加锁时，需要使用分布式锁，而分布式锁实现复杂

原子操作是另一种提供并发访问控制的方法，实现了无锁操作。既可以保证并发控制，还能减少系统对并发性能的影响。

并发访问中需要对什么进行控制？

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。

即为“读取 - 修改 - 写回”操作，也称为RMW操作。当有多个客户端对同一份数据执行 RMW 操作的话，我们就需要让 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。

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。

单命令操作

Redis 提供了INCR/DECR命令，把RMW这三个操作转变为一个原子操作了。

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。

比如，下面的伪代码显示了使用锁来控制临界区代码，对库存值做了一次扣减

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

而使用单命令操作则如下：

DECR id

所以，如果我们执行的 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 可以直接帮助我们进行并发控制。

Lua脚本

如果我们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，那么，Redis 的单命令操作已经无法保证多个操作的互斥执行了。所以，这个时候，我们需要使用第二个方法，也就是 Lua 脚本。

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，从而保证了 Lua 脚本中操作的原子性。

比如，我们有时需要限制某个客户端在一定时间范围内的访问次数，在一分钟内只能访问一次。所以，这个例子中的操作无法用 Redis 单个命令来实现，此时，我们就可以使用 Lua 脚本来保证并发控制。我们可以把访问次数加 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：

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

假设我们编写的脚本名称为 lua.script，我们接着就可以使用 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

这样一来，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就可以原子性地执行了。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 的 Lua 脚本可以包含多个操作，这些操作都会以原子性的方式执行，绕开了单命令操作的限制。不过，如果把很多操作都放在 Lua 脚本中原子执行，会导致 Redis 执行脚本的时间增加，同样也会降低 Redis 的并发性能。所以，在编写 Lua 脚本时，你要避免把不需要做并发控制的操作写入脚本中。