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Redis的“假事务”与分布式锁

由 怎甘沉沦 提交于 2020-02-25 22:24:39

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第六章 · 事务

我们在学习MySQL的存储殷勤时知道，MySQL中innodb支持事务而myisam不支持事务。而事务具有四个特性：

  • 一致性
  • 原子性
  • 隔离性
  • 持久性

在redis尽管提供了事务相关的命令，但实际上它是一个“假事务”，因为它并不支持回滚，也就是说在redis中一个事务有多个命令执行，并不能保证原子性。所以要使用redis的事务，一定要慎重。

Redis中的“假事务”（不保证原子性）

在redis中事务相关的命令一共有以下几个：

watch [key1] [key2]：监视一个或多个key，在事务开始之前如果被监视的key有改动，则事务被打断。

multi：标记一个事务的开始。

exec：执行事务。

discard：取消事务的执行。

unwatch：取消监视的key。

  • 正常执行事务
127.0.0.1:6379> multi
OK
127.0.0.1:6379> set name kevin
QUEUED
127.0.0.1:6379> set age 25
QUEUED
127.0.0.1:6379> get name
QUEUED
127.0.0.1:6379> set sex male
QUEUED
127.0.0.1:6379> exec
1) OK
2) OK
3) "kevin"
4) OK
  • 取消事务执行

取消事务执行，命令将不会被执行。

127.0.0.1:6379> multi
OK
127.0.0.1:6379> set name yulinfeng
QUEUED
127.0.0.1:6379> set age 26
QUEUED
127.0.0.1:6379> discard
OK
127.0.0.1:6379> get name
"kevin"
  • 事务中的命令出现命令性错误，类似Java的编译错误，执行事务时，所有的命令都不会被执行。
127.0.0.1:6379> multi
OK
127.0.0.1:6379> set name yulinfeng
QUEUED
127.0.0.1:6379> setget age 26
(error) ERR unknown command `setget`, with args beginning with: `age`, `26`, 
127.0.0.1:6379> exec
(error) EXECABORT Transaction discarded because of previous errors.
127.0.0.1:6379> get name
"kevin"
  • 事务中出现执行时错误，类似Java的运行时异常，执行事务时，部分命令会被执行成功，也即是不保证原子性。
127.0.0.1:6379> multi
OK
127.0.0.1:6379> incr name
QUEUED
127.0.0.1:6379> set age 26
QUEUED
127.0.0.1:6379> exec
1) (error) ERR value is not an integer or out of range
2) OK
127.0.0.1:6379> get age
"26"
  • 使用watch监视key在事务之前被改动，正常未被改动时的情况，所有命令正常执行。
127.0.0.1:6379> watch name
OK
127.0.0.1:6379> multi
OK
127.0.0.1:6379> set name yulinfeng
QUEUED
127.0.0.1:6379> set age 18
QUEUED
127.0.0.1:6379> exec
1) OK
2) OK
127.0.0.1:6379> get age
"18"
  • 使用watch监视key，此时在事务执行前key被改动，事务将取消不会执行所有命令。

我们现在一个redis客户端中执行watch命令。

127.0.0.1:6379> watch name
OK

此时我们打开另一个redis客户端，修改key=name的值。

127.0.0.1:6379> set name kevin
OK

我们再次回到第一个客户端，开始输入事务的命令块。

127.0.0.1:6379> multi
OK
127.0.0.1:6379> set name abc
QUEUED
127.0.0.1:6379> set age 1
QUEUED
127.0.0.1:6379> exec
(nil)

可看到通过exec执行事务时，事务并没有执行成功，而是返回“nil”。

Java中Jedis使用redis事务，则通过调用以下方法实现，具体命令可参照文档：

@Test
public void testTransaction() {
    Jedis jedis = RedisClient.getJedis();
    jedis.watch("a", "c");
    Transaction transaction = jedis.multi();
    transaction.set("a", "b");
    transaction.set("c", "d");
    transaction.exec();
}

通过Lua脚本保证Redis的真事务

redis中自带的事务命令，最致命的前面已经多次提到，那就是不保证原子性，所以在使用redis的事务时，一定要谨慎。

但如果我们一定要在redis中实现真正的事务应该怎么办呢？redis为我们提供了另外一种更为“灵活”的方式——Lua脚本。

在这里当然并不会详细讲解Lua的语法规则，我们一步步来看在redis中如何执行Lua脚本，以及Lua是如何运用在redis保证事务的。

我们先用Lua脚本在redis中实现调用字符串的set命令，我们先看示例：

127.0.0.1:6379> eval "return redis.call('set', KEYS[1], ARGV[1])" 1 company bat
OK
127.0.0.1:6379> get company
"bat"

eval是执行Lua脚本的命令，第二个参数是Lua脚本，第三个参数是一个数字表示一共有多少个key，第四个参数表示key值，第五个参数表示value值，eval [lua scripts] [numskey] [key1] [key2] [value1] [value2] ……。

接下来，我们来一个Lua脚本，脚本中包含写入name的值和age的值。

127.0.0.1:6379> eval "redis.call('set', KEYS[1], ARGV[1]) redis.call('set', KEYS[2], ARGV[2])" 2 name age kevin 25
(nil)
127.0.0.1:6379> get name
"kevin"
127.0.0.1:6379> get age
"25"

对于简单的Lua脚本通过命令行的方式直接编辑问题不大，但如果是比较复杂得Lua脚本，通常我们会单独写一个Lua脚本文件，然后载入它，例如以下示例：

local exist = redis.call('exists', KEYS[1])

if exist then
    return redis.call('incr', KEYS[1])
else
    return nil
end

我们将它保存为Lua脚本文件，执行以下命令：

okevindeMacBook-Air:redis-5.0.7 okevin$ redis-cli --eval ~/Desktop/lua_test.lua view
(nil)

可以看到key=view并不存在，所以返回nil，如果此时我们在redis中定义了一个key=view的值，此时将返回以下信息：

okevindeMacBook-Air:redis-5.0.7 okevin$ redis-cli --eval ~/Desktop/lua_test.lua view
(integer) 2

Jedis中如何载入Lua脚本

有关本节的源码：https://github.com/yu-linfeng/redis5.x_tutorial/tree/master/code/jedis

在Jedis可以直接调用Jedis类的eval方法，第一个参数是Lua脚本，第二个参数是key值，第三个参数是value值。

public void testLua() {
    Jedis jedis = RedisClient.getJedis();
    List<String> keys = new ArrayList<>();
    keys.add("name");
    keys.add("age");
    List<String> values = new ArrayList<>();
    values.add("kevin");
    values.add("25");
    jedis.eval("redis.call('set', KEYS[1], ARGV[1]) redis.call('set', KEYS[2], ARGV[2])", keys, values);
    jedis.close();
}

第七章 · 分布式锁

redis在我们日常开发中，除了用来做缓存提高应用程序的性能，降低数据库压力之外。可能用途最广泛地当属用redis来做分布式锁了。

在单机中，我们要解决并发时线程安全的问题会使用JDK的synchronized或者Lock类，或者直接使用线程安全的类，例如JUC（java.util.concurrent并发包）。而在大型的应用程序中，单机部署显然不能满足我们的需求，这个时候要在分布式集群环境中对互斥资源进行控制访问，就需要使用到分布式锁。

在本章中，我们着重介绍基于redis的分布式锁，同时将简单介绍其他分布式锁的解决方案。

开始之前先总结无论什么方式的分布式锁，其核心都是如有不存在某个key则写入，存在则返回写入失败。

通过redis实现分布式锁

redis中主要通过setnx命令实现，全称是“SET if Not eXists”，意为如果存在则写入。如果不存在key则返回1，已经存在了这个key，则会返回0。释放锁时直接调用del命令删除即可。

127.0.0.1:6379> setnx redis_lock a
(integer) 1
127.0.0.1:6379> setnx redis_lock a
(integer) 0

但是请注意，使用setnx有一定的风险，我们知道加锁就有存在“死锁”的可能性，而打破死锁的方法之一就是主动释放资源（设置锁过期时间），然而setnx并没有提供过期时间的设置，redis提供了另外一个命令——expire来设置key值得过期时间，所以改造上面的例子为以下所示：

127.0.0.1:6379> setnx redis_lock a          #设置一个分布式锁的key为redis_lock
(integer) 1
127.0.0.1:6379> expire redis_lock 5         #设置redis_lock的过期时间为5秒，到期自动删除
(integer) 1
127.0.0.1:6379> setnx redis_lock a          #此时再设置分布式锁的key为redis_lock，返回0失败
(integer) 0
127.0.0.1:6379> setnx redis_lock a          #过5秒再设置分布式锁的key为redis_lock，返回1成功
(integer) 1

可以看到通过组合setnx和expire命令，能达到我们想要的结果。但是请注意，它仍然存在一个问题，那就是这两个命令并不是原子性的，如果在执行expire redis_lock 5时，redis服务恰好宕机，此时这个key将会一直存在。

好在redis为我们提供了set命令的分布式用法并且可以设置为过期时间，关键是原子性的。官方的命令参数为set key value [expiration EX seconds|PX milliseconds] [NX|XX]。

[expiration EX seconds|PX milliseconds]参数EX表示过期时间单位为“秒”，PX表示过期时间单位为“毫秒”。

[NX|XX]参数NX表示“SET if Not eXists”不存在则写入，XX表示“SET if eXists”存在则写入，分布式锁的场景中使用“NX”参数。

所以我们设置一个key值名为“lock”的锁，5秒后自动删除：

127.0.0.1:6379> set lock a ex 5 nx          #设置一个key值名为“lock”的锁，5秒后自动删除
OK
127.0.0.1:6379> set lock a ex 5 nx          #5秒内设置一个key值名为“lock”的锁，5秒后自动删除。返回nil失败
(nil)
127.0.0.1:6379> set lock a ex 5 nx          #5秒后设置一个key值名为“lock”的锁，5秒后自动删除。返OK成功
OK

使用redis作为分布式锁，最好要设置过期时间，也就是最好使用set命令。

其他分布式锁

通过ZooKeeper实现分布式锁

ZooKeeper是一个分布式协调服务中间件，它可以用作注册中心、动态配置中心等等。

我们利用ZooKeeper的临时有序节点也可以实现分布式锁。

ZooKeeper的数据结构类似Linux中的文件结构，总体来讲它时“一棵树”，节点中记录相关信息。节点分为“永久节点”和“临时节点”。当我们要获取一个锁时，需要在ZooKeeper的结构中创建一个临时有序节点，释放锁同样时删除节点。获取分布式锁，即获取一个ZooKeeper的临时有序节点，如果获取到的有序节点存在比序号比自己更小的兄弟节点，即获取锁失败。

基于ZooKeeper实现分布式锁可以利用ZooKeeper监听的特性，一旦有节点发生变化可以进行通知。这点是Redis不具备的。但由于它的实现方式是创建和删除节点，所以在性能上不如redis。

通过MySQL实现分布式锁

通过MySQL实现分布式锁是我以前遇到的一个面试问题，思考以下实现方式：

在MySQL创建一个有关锁的表“tb_lock”，一共有两列，一列叫“key”并设置为唯一索引，另一列设置为“value”。

获取锁时，通过insert插入一条记录，如果插入成功则获取锁成功；插入失败则获取锁失败。

一听，是不是觉得有点意思，好像确实能通过MySQL来实现分布式锁，这样我们就不必引入redis或ZooKeeper。那为什么我们日常开发中几乎没有人这样用过呢？实际上，MySQL实现分布式锁，它仅仅满足了控制互斥资源这一点，尽管它是最核心的，但分布式锁不仅是控制互斥资源，它还需要具备以下特性：

  • 可设置过期时间，防止死锁
  • 需要具备阻塞获取锁的特性
  • 较高的性能和可靠性
  • 锁还需要可重入
  • ……

所以如果要使用MySQL来实现分布式锁，你需要去解决以上的问题，对于成熟的redis和ZooKeeper分布式锁方案，我们大可不必再造一个不可靠的轮子。

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