使用redis，怎么解决并发问题？

Posted 2023-03-31 wind_huise

并发访问会有什么问题

在当前的互联网环境中，高并发业务场景十分常见，并发场景下的线程安全问题，产生的根本原因在于：多线程/多进程之间存在数据共享。

解决线程安全问题的方案很多，最根本的方法就是在系统层面采用"share-noting"的架构方式。但是很多业务场景不一定适合该种架构，或者实现起来比较困难，除此之外，比较通用的解决方案主要有以下两种：

1.将并行操作转化成串行操作，常用的实现方式：
a.加锁，使临界区资源，只能有一个线程/进程可以访问。
b.执行业务逻辑的工作线程只分配一个，这也可以从根本上防止并发问题的产生。

2.基于操作系统提供给上层应用的原子操作能力，实现"CAS"的原子操作。

以上方案各有优劣，都有各自的使用场景，这里我们不做过多比较。其实工作遇到的问题，在一些开源软件中也会遇到，在一些比较著名开源软件中又是如何解决线程安全问题呢？或者能从中学到一些知识，下面我们可以参考一下redis 对于线程安全问题的解决方案。

redis中的线程安全问题

使用过redis的老铁都知道，在redis的线程模型中，处理读写命令的工作线程只有一个，这种处理方式符合上面解决线程问题中的方案1：将并行处理转换成串行处理。

但是有经验的老铁都清楚，串行处理不能充分利用系统资源，性能不及并行处理。这种说法也不全对，还需要看场景，在redis中，处理的数据都在内存中，数据操作效率极高，单线程的情况下，qps轻松破10w。反而在使用多线程时，为了保证线程安全，采用了一些同步机制，以及多线程的上下文切换，却对性能造成了一定的影响。

如此看来，在单线程模式下，redis的性能比较高，且可以避免多线程情况下的线程安全问题。但是在redis使用过程中，线程安全问题依旧存在，此话怎讲呢？

线程安全，是站在reids的角度来说的，redis使用单线程模型，是不存在线程安全问题的，以为他只有一个线程，不存在多线程间数据的共享，俗话说没有共享就没有伤害。

而线程不安全，是站在客户端的角度说的，redis是只有一个线程在工作，但是客户单端却是有成千上万个的，对于客户端来说，redis是被共享的资源，所以对于客户端来说依旧存在线程安全问题

redis如何解决线程安全问题

防止多客户端场景下的线程问题，依旧可以使用开头提供的解决方案，比如在客户端层面使用加锁的方式，将多客户端的并行操作变成串行操作。只有一个客户端操作完后，其他客户端才能操作，所有客户端段排队处理数据。这样会明显降低数据处理效率。

这里可能有老铁会有这样的疑问，上面不是说redis单线程串行化处理数据不是很快吗，为啥将客户端的并行处理变成串行后，性能就有问题了呢？这里做一下说明，redis单线程处理性能高，是因为redis都是纯内存操作，而客户端虽然是使用redis，但是使用redis不是内存操作，会涉及到网络io，性能远远不及内存操作。

虽然上述线程安全问题不是redis造成的，但是redis却提供了一些原子操作命令，可以很好的解决某些场景下的线程安全问题。

为了更方便的说明redis的解决方案，我们先举例复现一下线程安全的问题。
我们以电商场景下的商品库存扣减的场景为例，如下图：

1.商品库存开始为10，此时客户端A和客户端B，同时下单扣减库存。

2.两个客户端从redis获取到当前库存数为10。

3.两个客户端在本地将库存数减1，然后写回redis。

4，此时redis中存库数为9，正常情况下应该是8，造成超卖问题。

以上扣减库存的操作实际上分为三步：读库存，减库存，写库存。

读库存和写库存操作，在redis中是单线程执行的，是原子性的，但是整个扣减库存的操作却不是原子性的，这也是出现线程不安全的根本原因。

原子操作

对于解决这个问题，redis提供了一些复合命令，将多个操作合并成一个操作命令，此时这个复合命令就变成一个原子操作，也就不会再出现上述的线程安全问题了。

这里的复合操作就是 INCR/DECR，这两个操作就是对数值进行递减/递增，也就是上述的操作中：获取数据，加/减1，写入数据。只不过使用INCR和DECR命令，可以将这三个操作合并在一个命令中了，这个命令在redis中可以原子性执行，从而保证了线程安全。

Lua脚本

虽然redis提供的原子操作可能很好的解决线程安全问题，但是功能比较简单，使用场景有限。对于一些复杂的业务需求，如果也需要保证线程安全，那有没有好的方法呢？

这里我们也举例说明一下：商场对商品促销，售卖的前20个商品打8折，超过20后保持原价。具体见如下伪代码：

cnt = get(count);
if(cnt > 20) 
	price = 原价 * 0.8
    INCR count
 else 
	price = 原价

do things.

对于上述业务，要想保证逻辑的正确性，需要确保上述整个代码的执行具有原子性，否则高并发的场景下很容易产生并发问题。

在redis中可以使用Lua脚本，将复杂业务逻辑放到Lua脚本中，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。

如何在redis中使用lua脚本，可以参考https://redis.io/commands/eval/

Lua脚本之所以可以保证线程安全，是因为redis使用同一个Lua解释器来执行所有命令，同时，redis保证以一种原子性的方式来执行脚本：当Lua脚本在执行的时候，不会有其他脚本和命令同时执行，这种语义类似于 MULTI/EXEC。从别的客户端的视角来看，一个lua脚本要么不可见，要么已经执行完。

虽然Lua脚本好用，但是也不要滥用，虽然，Lua脚本的开销非常低，构造一个快速执行的脚本并非难事。但是当正在执行一个比较慢的脚本时，所以其他的客户端都无法执行命令，所以在Lua脚本中避免把不需要做并发控制的操作写入到脚本中。

除此之外，Lua脚本只能保证原子性，不保证事务性，当Lua脚本遇到异常时，已经执行过的逻辑是不会回滚的。