Redis是 Java程序員工作中經(jīng)常使用的一個 NoSQL，很多人把它對標(biāo)成數(shù)據(jù)庫，因此，原子性成了特別關(guān)注的問題。那么，Redis到底能不能保證原子性？這篇文章來聊一聊。

一、原子性

要想弄清楚這個問題，我們需要對“原子性”這個概念有一個清晰的認(rèn)識，因此，首先要分析的是原子性的概念。

1. 通常意義的原子性

通常意義上，我們說的原子性是指關(guān)系型數(shù)據(jù)庫 RDBMS（比如 MySQL）的原子性，也就是 ACID（Atomicity、Consistency、Isolation、Durability）中 Atomicity這一項特性。

ACID 中的原子性指：事務(wù)中的所有操作要么全部執(zhí)行，要么全部不執(zhí)行。

這里以銀行轉(zhuǎn)賬，賬戶A 給賬戶B 轉(zhuǎn)賬100元為例來解釋原子性：

• 賬戶A 減去100元；
• 賬戶B 增加100元；

原子性是指上面兩個過程，要么全部執(zhí)行，要么全部不執(zhí)行。也就是說，賬戶A 減去 100元的同時，賬戶B 必須增加100元，否則，該操作就不具備原子性。Java代碼簡要實現(xiàn)如下圖：

2. Lua 原子性

在分析 Lua的原子性之前，我們先看看 Lua是什么，下圖摘自 Lua官方描述：

從官方描述可以得知：Lua 是一種功能強大、高效、輕量級、可嵌入的腳本語言。它支持過程編程、面向?qū)ο缶幊?、函?shù)式編程、數(shù)據(jù)驅(qū)動編程和數(shù)據(jù)描述。 Lua 將簡單的過程語法與基于關(guān)聯(lián)數(shù)組和可擴(kuò)展語義的強大數(shù)據(jù)描述結(jié)構(gòu)相結(jié)合。Lua 是動態(tài)類型的，通過使用基于寄存器的虛擬機(jī)解釋字節(jié)碼來運行，并具有自動內(nèi)存管理和增量垃圾回收功能，使其成為配置、腳本編寫和快速原型設(shè)計的理想選擇。

Lua 本身并沒有提供對于原子性的直接支持，它只是一種腳本語言，通常是嵌入到其他宿主程序中運行，比如 Redis。

在 Redis中執(zhí)行 Lua的原子性是指：整個 Lua腳本在執(zhí)行期間，會被當(dāng)作一個整體，不會被其他客戶端的命令打斷。

為了對 Redis執(zhí)行 Lua的原子性有一個感官上的認(rèn)識，這里以 Lua腳本中需要完成 SET key1 value1 和 INCRBY key2 value2 和 SET key3 value3 三個命令為例：

上述例子，整個 luaScript 字符串腳本作為一個整體被執(zhí)行且不被其他事務(wù)打斷，這就是一個原子性的操作。

好了，總結(jié)下 ACID的原子性和 Redis執(zhí)行 Lua腳本原子性在概念上的差異：

• ACID的原子性是指：事務(wù)中的命令要么全執(zhí)行，要么全部不執(zhí)行；
• Redis中執(zhí)行 Lua腳本原子性是指：Lua腳本會作為一個整體執(zhí)行且不被其他客戶端打斷，至于 Lua腳本里面的命令是否必須全部成功，或者全部失敗，并不要求。關(guān)于這一點，在接下來的內(nèi)容也會詳細(xì)解釋；

在分析原子性概念時，我們可以發(fā)現(xiàn)“原子性”其實是事務(wù)中的一項特性，因此，接下來分析 Redis的事務(wù)。

二、Redis 事務(wù)

下圖是 Redis官方對事務(wù)描述的摘要：

文檔看起來很長，總結(jié)成一句話：Redis 事務(wù)允許執(zhí)行一批命令，通過執(zhí)行 MULTI命令開啟事務(wù)，執(zhí)行 EXEC命令結(jié)束事務(wù)，WATCH 和 DISCARD 配合事務(wù)一起使用，提供了一種 CAS(check-and-set) 樂觀鎖的機(jī)制。WATCH 用于監(jiān)聽 Key，如果被監(jiān)聽的 Key有任何一個發(fā)生變化，則中止事務(wù)（被動關(guān)閉事務(wù)），而 DISCARD 用于主動中止事務(wù)。

1. MULTI/EXEC

用一個示例來理解 MULTI/EXEC：

通過執(zhí)行的結(jié)果可以看出：Redis的事務(wù)是以 MULTI命令開啟，以 EXEC命令結(jié)束，期間所有的命令都是先進(jìn)入隊列，只有執(zhí)行 EXEC命令時，才會把隊列中的所有命令順序串行執(zhí)行，并且返回一個所有命令執(zhí)行結(jié)果的數(shù)組，包括命令執(zhí)行的錯誤信息。

需要注意的是：在 EXEC 執(zhí)行后，即使事務(wù)隊列中有命令執(zhí)行失敗，隊列中的所有其他命令也會被處理，Redis 不會停止執(zhí)行這些命令。

DISCARD 和 WATCH 也是 Redis 中用于事務(wù)的兩個命令，它們與 MULTI 和 EXEC 一起使用，提供更復(fù)雜的事務(wù)處理機(jī)制。

2. WATCH

WATCH 命令用于監(jiān)聽一個或多個 Key，如果在執(zhí)行事務(wù)期間這些 Key中任何一個Key的 value被其他事務(wù)修改，當(dāng)前整個事務(wù)將會被中止。（需要注意：低于 6.0.9 的 Redis 版本，Key過期不會中止事務(wù)）

如下示例：事務(wù)1 watch key1 key2，事務(wù)2在事務(wù)1執(zhí)行期間修改 key2 = 10，當(dāng)事務(wù)1執(zhí)行 exec命令時，因為 watch監(jiān)聽到 key2被其他事務(wù)（事務(wù)2）修改了(value=10) ， 因此事務(wù)1被取消，事務(wù)隊列中的所有命令被清除，即 set key1 value1 和 incrby key 2兩條命令都不執(zhí)行，key2的 value還是10；

DISCARD 命令用于中止事務(wù)。

如下示例，執(zhí)行 DISCARD命令后，當(dāng)前事務(wù)被中止，因此，執(zhí)行 EXEC 時會報“ERR EXEC without MULTI”錯誤。

3. 事務(wù)中的錯誤

事務(wù)中主要會出現(xiàn)兩種類型的錯誤：

(1) 事務(wù)命令進(jìn)入事務(wù)隊列之前出錯。例如，命令語法錯誤（參數(shù)錯誤、命令名稱錯誤等），或者可能存在一些關(guān)鍵情況，比如內(nèi)存不足。如下示例，命令incr key2 1/0 在進(jìn)入事務(wù)隊列之前報錯，所以，當(dāng)前事務(wù)被中止，執(zhí)行 EXEC命令會報錯：

(2) 調(diào)用 EXEC 命令后，事務(wù)隊列中的命令執(zhí)行失敗。例如，對字符串值進(jìn)行加1操作。如下示例，key的 value是字符串，當(dāng)對 key 執(zhí)行incr key 操作時報錯，因此，該條命令執(zhí)行失?。?/p>

4. 事務(wù)回滾

Redis的事務(wù)不支持回滾。 官方說明如下：

Redis 不支持事務(wù)回滾，因為支持回滾會對 Redis 的簡單性和性能產(chǎn)生重大影響。

官方說明簡明扼要，其實，多加思考也能理解："Redis" 是 "REmote DIctionary Server" 的縮寫，翻譯為“遠(yuǎn)程字典服務(wù)”，設(shè)計的初衷是用于緩存，追求快速高效。而了解過 ACID事務(wù)的小伙伴應(yīng)該能明白事務(wù)回滾的復(fù)雜度，因此，Redis不支持事務(wù)回滾似乎也合情合理。

到此，我們也對 Redis事務(wù)做個小結(jié)：Redis的事務(wù)由 MULTI/EXEC 兩個命令完成，WATCH/DISCARD 兩個命令的加持，給 Redis事務(wù)提供了 CAS 樂觀鎖機(jī)制。Redis 事務(wù)不支持回滾，它和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（比如 MySQL）的事務(wù)（ACID）是不一樣的。

三、Redis 如何執(zhí)行 Lua？

分析完原子性和 Redis事務(wù)這些理論知識后，我們就得動手實操，看看 Redis是如何執(zhí)行 Lua的。

一般情況下，Redis執(zhí)行 Lua常用的方法有 2種：

• 原生命令，比如 EVAL/EVALSHA命令等；
• 編程工具，比如編程語言中提供的三方工具包或類庫；

在編寫 Lua腳本時，需要注意區(qū)分 redis.call() 和 redis.pcall() 兩個命令的使用。

1. EVAL

語法：

EVAL script numkeys [key [key ...]] [arg [arg ...]]

EVAL語法很簡單，EVAL script numkeys 是必填項，[key [key ...]] [arg [arg ...]]是選填項。

如下示例截圖，分別展示了不傳Key，傳 1個key 和 2個 key 3種場景：

下圖示例展示了 [key [key ...]] [arg [arg ...]] 和 numkeys 匹配錯誤時報錯的場景：

2. redis.call()

redis.call() 用于執(zhí)行 Redis的命令。當(dāng)命令執(zhí)行出錯時，會阻斷整個腳本執(zhí)行，并將錯誤信息返回給客戶端。

如下示例：當(dāng)執(zhí)行INCRBY key2 1/0 失敗時，會拋異常，后續(xù)流程被阻斷，即SET key3 value3沒有被執(zhí)行。

Redis原生命令執(zhí)行示例如下：

EVAL "redis.call('SET', 'key1', 'value1'); redis.call('INCRBY', 'key2', 1/0); redis.call('SET', 'key3', 'value3')" 0

使用 Jedis框架執(zhí)行 Lua示例如下：

查看 Lua執(zhí)行后各個key的值。

3. redis.pcall()

redis.pcall() 也用于執(zhí)行 Redis的命令。當(dāng)命令執(zhí)行出錯時，不會阻斷腳本的執(zhí)行，而是內(nèi)部捕獲錯誤，并繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)的命令。

如下示例：當(dāng)執(zhí)行INCRBY key2 1/0 失敗時，不會拋異常，后續(xù)流程繼續(xù)執(zhí)行，即SET key3 value3 也被執(zhí)行。

Redis原生命令執(zhí)行示例：

EVAL "redis.pcall('SET', 'key1', 'value1'); redis.pcall('INCRBY', 'key2', 1/0); redis.pcall('SET', 'key3', 'value3')" 0

使用 Jedis框架執(zhí)行 Lua示例：

對于 Lua中 redis.call() 和 redis.pcall() 如何選擇，需要根據(jù)實際業(yè)務(wù)來判斷，標(biāo)準(zhǔn)是：當(dāng) Lua腳本中某條命令執(zhí)行出錯時，是否需要阻斷后續(xù)的命令執(zhí)行。

四、如何保證原子性？

首先，可以肯定的是：Redis執(zhí)行 Lua腳本可以保證原子性，不過這和 Redis Server的部署方式密不可分。

Redis是典型的 C/S(Client/Server) 模型，如下圖：

因此，Redis 通常有 3種不同的部署方式，部署方式不同，原子性的保證也不一樣。

1. 單機(jī)部署

不管 Lua腳本中操作的 key是不是同一個，都能保證原子性；

2. 主從部署

Redis 主從復(fù)制是用于將主節(jié)點的數(shù)據(jù)同步到從節(jié)點，以保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性。而Redis的所有寫操作都在主節(jié)點上，所以，不管 Lua腳本中操作的 key是不是同一個，都能保證原子性；

需要注意：當(dāng)主節(jié)點執(zhí)行寫命令時，從節(jié)點會異步地復(fù)制這些寫操作。在這個復(fù)制的過程中，從節(jié)點的數(shù)據(jù)可能與主節(jié)點存在一定的延遲。因此，如果在 Lua 腳本中包含讀操作，并且該腳本在主節(jié)點上執(zhí)行，可能會讀到最新的數(shù)據(jù)，但如果在從節(jié)點上執(zhí)行，可能會讀到稍有延遲的數(shù)據(jù)。

3. Cluster集群部署

如果 Lua腳本操作的 key是同一個，能保證原子性；

如果操作的 Key不相同，可能被 hash 到不同的 slot，也可能 hash 到相同的 slot，所以不一定能保證原子性；

因此，在 Cluster集群部署的環(huán)境下使用 Lua腳本時一定要注意：Lua腳本中操作的是同一個 Key；

4. 原子性保證

這里以 Redis單機(jī)部署為例：當(dāng)客戶端向服務(wù)器發(fā)送一個帶有 Lua腳本的請求時，Redis會把該腳本當(dāng)作一個整體，然后加載到一個腳本緩存中，因為 Redis讀寫命令是單線程操作（關(guān)于 Redis的單線程模型和多路復(fù)用線程模型會在其他的文章中講解），最終，Lua腳本的讀寫在 Redis服務(wù)器上可以簡單地抽象成下圖，所有的 Lua腳本會按照進(jìn)入順序放入隊列中，然后串行進(jìn)行讀寫，這樣就保證每個 Lua不會被其他的客戶端打斷，從而保證了原子性：

五、面試該如何回答？

在面試中，Redis 執(zhí)行 Lua腳本時，能否保證原子性？這個問題如何作答？

• 第一步，需要解釋這里的原子性是什么？它和關(guān)系數(shù)據(jù)事務(wù) ACID中的一致性的差異是什么？消除原子性在具體載體（RDBMS/NoSQL）上概念的差異；
• 第二步，需要解釋 Redis的事務(wù)，說明 RDBMS/NoSQL 在事務(wù)上的差異點；
• 第三步，需要解釋 Redis在不同部署方式下原子性能否保證。Redis部署方式有3種：單機(jī)部署，主從部署，Cluster集群部署，需要說明在哪些部署方式下能保證原子性，哪些不能保證原子性；
• 第四步，解釋 Redis 執(zhí)行 Lua腳本是如何保證原子性；
• 第五步，分析下 Redis的單線程模型 和 IO多路復(fù)用模型（加分項），這步是可選項；

六、Why Lua？

既然 Redis事務(wù)能保證原子性，為什么還需要 Lua腳本呢？

• Lua 是一種嵌入式語言，是 Redis官方推薦的腳本語言；
• Lua 腳本一般比 MULTI/EXEC 更快、更簡單；
• Redis 事務(wù)中，事務(wù)隊列中的所有命令都必須在 EXEC命令執(zhí)行才會被執(zhí)行，對于多個命令之間存在依賴關(guān)系，比如后面的命令需要依賴上一個命令結(jié)果的場景，Redis事務(wù)無法滿足，因此 Lua 腳本更適合復(fù)雜的場景；
• Redis 事務(wù)能做的 Lua能做，Redis事務(wù)做不到的 Lua也能做；

七、Lua注意事項

Redis執(zhí)行 Lua腳本時，Lua的編寫需要注意以下幾個點：

• 不要在 Lua腳本中使用阻塞命令（如BLPOP、BRPOP等）。因此這些命令可能會導(dǎo)致 Redis服務(wù)器在執(zhí)行腳本期間被阻塞，無法處理其他請求；
• 不要編寫過長的 Lua腳本。因為 Redis讀寫命令是單線程，過長的腳本，加載，解析，運行會比較耗時，導(dǎo)致其他命令的延遲延遲增加；
• 不要在 Lua腳本中進(jìn)行復(fù)雜耗時的邏輯；因為 Redis讀寫命令是單線程的，長時間運行腳本可能導(dǎo)致其他命令的延遲增加；
• Lua腳本中，需要注意區(qū)分 redis.call() 和 redis.pcall() 命令；
• Lua 索引表從索引 1 開始，而不是 0；

八、總結(jié)

• 原子性需要區(qū)分具體使用的載體，在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（比如 MySQL)）和 No SQL（比如Redis）中，原子性的概念是不相同的；
• Redis的事務(wù)（MULTI/ESXEC）和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（比如 MySQL）的事務(wù)（ACID）也是不相同的；
• ACID的原子性指：命令要么全部執(zhí)行，要么全部不執(zhí)行；
• Redis執(zhí)行 Lua腳本的原子性指：Lua腳本會當(dāng)作一個整體被執(zhí)行且不被其他事務(wù)打斷，但是 Lua 腳本里面的命令無法保證“要么全部執(zhí)行，要么全部不執(zhí)行”；
• Lua腳本使用 redis.pcall() 執(zhí)行命令出錯時會被catch，后續(xù)命令會正常執(zhí)行；
• Lua腳本使用 redis.call() 執(zhí)行命令出錯時會拋給客戶端，后續(xù)命令會被阻斷；
• Lua 腳本一般比 MULTI/EXEC 更快、更簡單；
• Redis的部署方式?jīng)Q定了 Redis執(zhí)行 Lua腳本是否能保證原子性，編寫 Lua腳本時，特別需要注意在一個事務(wù)中是否要求操作同一個 key。