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29 | 无锁的原子操作:Redis如何应对并发访问?

作者:互联网

Redis核心技术与实战

实践篇

29 | 无锁的原子操作:Redis如何应对并发访问?

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。

加锁是一种常用的方法,在读取数据前,客户端需要先获得锁,否则就无法进行操作。当一个客户端获得锁后,就会一直持有这把锁,直到客户端完成数据更新,才释放这把锁。加锁有两个问题:

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。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。例如,客户端 A 的访问操作在执行时,客户端 B 的操作不能执行,需要等到 A 的操作结束后,才能执行。

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:

  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。

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,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。

如果对临界区代码的执行没有控制机制,就会出现数据更新错误。假设现在有两个客户端 A 和 B,同时执行刚才的临界区代码,就会出现错误,如下图:
在这里插入图片描述
出现图中现象,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。

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:

Redis 使用单线程来串行处理客户端的请求操作命令,所以,当 Redis 执行某个命令操作时,其他命令无法执行,相当于命令操作互斥执行。当然,Redis 的快照生成、AOF 重写这些操作,可以使用后台线程或者是子进程执行,也就是和主线程的操作并行执行。不过,这些操作只是读取数据,不会修改数据,所以,并不需要对它们做并发控制。
虽然 Redis 的单个命令操作可以原子性地执行,但是在实际应用中,数据修改时可能包含多个操作,至少包括读数据、数据增减、写回数据三个操作,非原子操作,无法保证并发安全。

Redis 提供了 INCR/DECR 命令,把这三个操作转变为一个原子操作。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。如果执行的 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 可以直接进行并发控制。

但是,如果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,Redis 的单命令操作则无法保证多个操作的互斥执行。 所以,这个时候,需要使用Lua 脚本的方法。
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 Lua 脚本中操作的原子性。 如果有多个操作要执行,但是又无法用 INCR/DECR 这种命令操作来实现,就可以把这些要执行的操作编写到一个 Lua 脚本中。然后,可以使用 Redis 的 EVAL 命令来执行脚本。这样,这些操作在执行时就具有了互斥性。

示例
当一个业务应用的访问用户增加时,有时需要限制某个客户端在一定时间范围内的访问次数,比如爆款商品的购买限流、社交网络中的每分钟点赞次数限制等。
在这种场景下,客户端限流其实同时包含了对访问次数和时间范围的限制。伪代码如下:

//获取ip对应的访问次数
current = GET(ip)
//如果超过访问次数超过20次,则报错
IF current != NULL AND current > 20 THEN
    ERROR "exceed 20 accesses per second"
ELSE
    //如果访问次数不足20次,增加一次访问计数
    value = INCR(ip)
    //如果是第一次访问,将键值对的过期时间设置为60s后
    IF value == 1 THEN
        EXPIRE(ip,60)
    END
    //执行其他操作
    DO THINGS
END

对于这些操作,需要保证它们的原子性。否则,如果客户端使用多线程访问,访问次数初始值为 0,第一个线程执行了 INCR(ip) 操作后,第二个线程紧接着也执行了 INCR(ip),此时,ip 对应的访问次数就被增加到了 2,就无法再对这个 ip 设置过期时间了。这就会导致,这个 ip 对应的客户端访问次数达到 20 次之后,就无法再进行访问。即使过了 60s,也不能再继续访问,显然不符合业务要求。

这个例子中的操作无法用 Redis 单个命令来实现,此时,可以使用 Lua 脚本来保证并发控制。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:

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

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

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 使用单线程来串行处理客户端的请求操作命令)。

标签:无锁,并发,Redis,29,访问,操作,执行,客户端
来源: https://blog.csdn.net/TQ20160412/article/details/122000202