Redis篇：事务和lua脚本的使用

Posted 2021-12-16 潜行前行

现在多数秒杀，抽奖，抢红包等大并发高流量的功能一般都是基于 redis 实现，然而在选择 redis 的时候，我们也要了解 redis 如何保证服务正确运行的原理

前言

• redis 如何实现高性能和高并发
• reids 事务的 ACID 原理
• WATCH、EXEC 命令实现 redis 事务
• lua 实现 redis事务
• 抢红包方案

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redis 如何实现高性能和高并发

• redis 是一个内存数据库，读写非常高效。除了开启 AOF，RDB 异步线程去持久化数据，基本没有磁盘I/O消耗，性能方面是比 mysql，oracle 快很多
• redis 自己实现一套简单高效的基础数据结构：动态字符串（SDS），链表，字典，跳跃链表，整数集合和压缩列表。然后在这个基础上去实现用户能操作的对象：字符串，列表，哈希，集合，有序集合等对象
• reactor 模式的网络事件处理器。它使用了 I/O 多路复用去同时监控多个套接字，这是一种高效的I/O模型。reactor 相关知识可以看下这篇文章框架篇：见识一下linux高性能网络IO+Reactor模型
• 事件处理器是单线执行的，这大大减少CPU的上下文切换，和对资源锁的竞争问题，极大提高redis服务处理速度（至于为啥使用单线程，因为CPU够用了，它的性能瓶颈在内存而不是CPU）
• Redis直接自己构建了VM 机制 ，因为一般的系统调用系统函数的话，会浪费一定的时间去移动和请求

reids 事务的 ACID 原理

• redis 的事务需要先划分出三个阶段
  • 事务开启，使用 MULTI 可以标志着执行该命令的客户端从非事务状态切换至事务状态redis> MULTI
  • 命令入队，MULTI开启事务之后，非 WATCH、EXEC、DISCARD、MULTI 等特殊命令；客户端的命令不会被立即执行，而是放入一个事务队列
  • 执行事务或者丢弃。如果收到 EXEC 的命令，事务队列里的命令将会被执行。如果是 DISCARD 则事务被丢弃
• 命令入队过程如果出错(如使用了不存在的命令)，则事务队列会被拒接执行
• 执行事务期间出现了异常(如命令和操作的数据类型不匹配)，事务队列的里的命令还是继续执行下去，直到全部命令执行完。不会回滚
• WATCH 可用于监控 redis 变量值，在命令 EXEC 之前；redis 里的数据是有机会被其他客户端的命令修改的。使用 WATCH，监控的变量被修改后，执行 EXEC 时则会返回执行失败的 nil 回复

redis> WATCH "name"
OK
redis> MULTI   ### 此时name已被其他客户端的命令修改
OK
redis> SET "name" "lwl"
QUEUED
redis> EXEC
(nil)

• 从严格意义上来说，redis 是没有事务的。因为事务必须具备四个特点：原子性(Atomicity)，一致性(Consistency)，隔离性(Isolation)，持久性(Durability)。然后 redis 是做不到这四点，只是具备其中一些特征，redis的事务是个伪事务，而且不支持回滚。下面将为各位同学一一道来

原子性

从上面可以，事务的异常会发生在EXEC命令执行前、后

• EXEC命令执行前：在命令入队时就报错，（如内存不足，命令名称错误），redis 就会报错并且记录下这个错误。此时，客户还能继续提交命令操作；等到执行EXEC时，redis 就会拒绝执行所有提交的命令操作，返回事务失败的结果 nil
• EXEC命令执行后：命令和操作的数据类型不匹配，但 redis 实例没有检查出错误。在执行完 EXEC 命令以后，redis 实际执行这些指令，就会报错。此时事务是不会回滚的，但事务队列的命令还是继续被执行。事务的原子性无法保证
• EXEC执行时，发生故障：如果 redis 开启了 AOF 日志，那么，只会有部分的事务操作被记录到 AOF 日志中。需要使用 redis-check-aof 工具检查 AOF 日志文件，这个工具可以把未完成的事务操作从 AOF 文件中去除。事务的原子性得到保证

一致性

• EXEC命令执行前：入队报错事务会被放弃执行，具有一致性
• EXEC命令执行后：实际执行时报错，错误的执行不会执行，正确的指令可以正常执行，一致性可以保证
• EXEC执行时，发生故障：RDB 模式，RDB 快照不会在事务执行时执行，事务结果不会保存在RDB；AOF 模式，可以使用 redis-check-aof 工具检查 AOF 日志文件，把未完成的事务操作从 AOF 文件中去除。可以保证一致性

隔离性

• EXEC 命令前执行，隔离性需要通过 WATCH 机制保证。因为 EXEC 命令执行前，其他客户端命令可以被执行，相关变量会被修改；但可以使用 WATCH 机制监控相关变量。一旦相关变量被修改，则 EXEC 后则事务失败返回；具有隔离性
• EXEC 命令之后，隔离性可以保证。因为 redis 是单线程执行，事务队列里的命令和其他客户端的命令只能二选一被顺序执行，因此具有隔离性

持久性

• 如果 redis 没有使用 RDB 或 AOF，事务的持久化是不存在的
• 使用 RDB 模式，那么在一个事务执行后，而下一次的 RDB 快照还未执行前，如果发生了实例宕机，数据丢失，这种情况下，事务修改的数据也是不能保证持久化
• AOF 模式，因为 AOF 模式的三种配置选项 no、everysec 和 always 都会存在数据丢失的情况。所以，事务的持久性属性也还是得不到保证

总结

• redis 的事务机制可以保证一致性和隔离性；但是无法保证持久性；具备了一定的原子性，但不支持回滚

WATCH、EXEC 命令实现 redis 事务

redis> WATCH "map"
OK
redis> MULTI 
OK
redis> HSET map "csc" "lwl"  
QUEUED
redis> HGET map "csc"
QUEUED
redis> EXEC
1) OK
2) "lwl"  

lua 实现 redis 事务

除了 MULTI、WATCH、EXEC 命令，还有其他的方式可做到 redis 原子性和隔离性吗？有的，lua 脚本；redis 内置了lua的执行环境，并自带了一些 lua 函数库。redis 执行 lua 时，会启动一个伪客户端去执行脚本里的 redis 命令

• 一致性，原子性，持久性 和 MULTI，EXEC 过程相似：如果 lua 存在错误的命令名称，事务会执行失败。如果在执行 redis 命令过程出现异常，之前正常执行的命令也不会回滚
• lua 脚本被当做一命令集合一起被执行，且 redis 是单线处理机制，因此不需要 WATCH 保证隔离性，天然具备隔离性
• Lua调用Redis指令: redis.call("命令名称"，参数1，参数2)

优点

• 减少网络开销：可以将多个请求通过脚本的形式一次发送，减少网络时延
• 原子操作：Redis会将整个脚本作为一个整体执行，中间不会被其他请求插入。在脚本运行过程中无需担心会出现竞态条件
• 可重复使用：客户端发送的脚本会永久存在 redis 中，这样其他客户端可以复用这一脚本，而不需要使用代码完成相同的逻辑

抢红包方案

• 问题关键点
  • 一：用户是否参与过活动，不可重复参与
  • 二：红包数量有限；而且一个可抢的红包，保证不能让多个人同时抢到
  • 三：持久化存储红包与用户的关系
  • 四：如何保证 步骤一到步骤三的原子性和隔离性

关键点一

• redis 的集合对象 set 是无序且唯一的。set 集合由整数集合或字典实现的，添加，删除，查找的复杂度基本视为 O(1)，存放的最大对象个数是2^32 - 1 (4294967295)
• 使用 set 集合保存参加过的用户，每次用户参与活动时先判断是否在 set 里。不在则可以抢红包
• 如果是用户可以重复参与多次的场景，则使用哈希对象，key存用户对象，value 存放参与次数。使用 INCR 原子操作增加 value，如果返回数值 > 上限，说明抢的次数用完

关键点二

使用 list 或者 set 存放事先创建好的有限个红包； 因为 redis 是单线程操作，同一时间，多人抢红包，只会有一个人成功。而红包是事先生成的，消费用完即止，不存在超发的可能

• 使用 list 列表存放红包
  • 因为红包金额大小不一，为增加抢到红包大小的随机性，需要先shuffle一次，再 LPUSH 入队列
  • RPOP 出队列一个红包，如果返回不为nil，则代表获取成功，继续下一步，反之则说明已抢完，返回
• set 集合中有两个指令非常适合在抢红包、抽奖的场景使用
  • SPOP key [count] 移除并返回集合中的一个随机元素
  • SRANDMEMBER key [count] 返回集合中一个或多个随机数；需要再调 SREM 移除一遍
  • 将所有的红包通过 SADD 添加到 set 中，然后通过随机命令获取对应的红包即可
• 如果有谢谢惠顾之类的落空选项，生成对应的无效红包、奖品放入 set 或 list 即可
• 抢红包一般是有时效性，正好可以配合 redis 的 key 的失效时间使用。使得抢红包功能很完美的解决

关键点三

• 使用额为的 list 列表保存用户与红包的关系，用户抢到红包后，将对应的关系 LPUSH 入队列，然后服务去消费拉取数据批量保存到数据库即可

关键点四

使用 lua 脚本实现即可

-- 参数：KEYS[1]-红包list，KEYS[2]-用户和红包的消费list，KEYS[3]-去重的哈希对象，KEYS[4]-用户ID
-- 函数：尝试获得红包，如果成功，则返回json字符串，如果不成功，则返回nil
-- 返回值：nil 或者 json字符串，"userId":"用户ID","id":"红包ID"
-- 如果用户已抢过红包，则返回nil

-- 步骤一，拦截重复参与
if redis.call('hexists', KEYS[3], KEYS[4]) == 1 then
  return nil
else
  -- 步骤二，先取出一个红包
  local lunkMoney = redis.call('rpop', KEYS[1]);
  if luckMoney then
    local data = cjson.decode(luckMoney);
    data['userId'] = KEYS[4]; -- 加入用户ID信息
    local re = cjson.encode(data);
    -- 把用户ID放到去重的哈希，value设置为 1
    redis.call('hset', KEYS[3], KEYS[4], 1);
    -- 步骤三： 用户和红包放到已消费队列里
    redis.call('lpush', KEYS[2], re);
    return re;
  end
end
return nil

欢迎指正文中错误

参考文章

• redis事务一致性问题？
• Redis的ACID属性
• 抢红包设计
• 腾讯二面：Redis 事务支持 ACID 么？