Redis核心技术22-无锁原子操作

Redis是不可能避免会涉及到并发访问的问题，比如说如果多个用户同时下单，就会对缓存在 Redis 中的商品库存并发更新。一旦有了并发写操作，数据就会被修改，如果我们没有对并发写请求做好控制，就可能导致数据被改错。

为了保证并发访问的正确性，Redis提供了两种方法：

• 加锁
• 原子操作

本文主要对原子操作进行深入，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。这样一来，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。

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：

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

我们把这个流程叫做“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。

当多个客户端并发执行临界区代码的时候，就会存在一些潜在问题，下面是多个客户端对库存进行修改的操作：

可以看到如果按照逻辑流程下来，最后库存应该为8才对，但是因为临界区代码中的客户端读取数据、更新数据、再写回数据涉及了三个操作，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。

为了保证数据并发修改的正确性，我们可以用锁把并行操作变成串行操作，串行操作就具有互斥性。一个客户端持有锁后，其他客户端只能等到锁释放，才能拿锁再进行修改。

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

虽然加锁保证了互斥性，但是加锁也会导致系统并发性能降低。

可以看到在客户端A操作的时候，客户端B和C都需要等待的，当客户端B操作的时候，客户端C还需要进行等待。

由于原子操作也能实现并发控制，并且原子操作对系统并发性能的影响较小，下面我们来深入原子操作。

Redis中的两种原子操作

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 是使用单线程来串行处理客户端的请求操作命令的，所以，当 Redis 执行某个命令操作时，其他命令是无法执行的，这相当于命令操作是互斥执行的。

由于我们的操作可能涉及到数据读取、数据增删、数据写回三个操作，并非单独一个命令操作。而Redis提供了 INCR/DECR 命令，把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。

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。

但是如果我们的操作涉及到复杂的逻辑判断的时候，就需要使用第二种方法：Lua脚本。这种方法，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。

参考

Redis核心技术与实战 (opens new window)