基于redis的cas实现

　　cas是我们常用的一种解决并发问题的手段，小到CPU指令集，大到分布式存储，都能看到cas的影子。本文假定你已经充分理解一般的cas方案，如果你还不知道cas是什么，请自行百度

　　

　　我们在进行关系型数据库的更新操作时，基于cas的更新常常是保证数据业务逻辑语义下的一致性的终极手段，一般用来解决“写偏序”问题。关系型数据库有基于where的条件更新，一些NoSQL也都有对cas的支持，可为什么redis在原生语义上不支持cas操作呢？例如：

setcas key oldvalue newvalue

　　很多人不理解，redis处理速度本就很快，还需要cas么？我承认redis对于单个指令的处理速度很快，但很多时候我们要解决的是网络问题，和应用程序STW(stop the world，一般指java那种长时间GC)

　　一旦发生这种问题，形成了 get->判断->停顿 ->set，就可能出现写偏序或者更新丢失，redis也没办法帮你了

　　为什么redis不支持原生的cas?

　　这种功能对redis来说实现起来几乎不费力气：原本对数据处理的操作就是基于单线程的，压根不会出现像其他语言的那种内存不可见问题，或者什么性能损失

　　我找到了09年redis的一个mail list (要FQ），redis的作者Salvatore Sanfilippo 开始解释了为什么他不想加入cas功能，理由是至少没法说服我，社区中很多人也表示“我们只需要关于string类型的cas操作就好啦”。然而时至今日你依旧没有在redis.io的command列表中找到cas操作的踪迹

　　幸好，我们有两种方式可以自己实现cas，且并不费力

　　基于Lua脚本的cas实现

　　目前我们使用的redis版本，都支持lua脚本的执行，并且性能非常好。甚至对于比较复杂的功能，redis-cli还提供了lua脚本的调试工具。下面是我自己实现的一个string的cas功能，相信已经能满足大多数场景了：

local v = redis.call("get", KEYS[1]) local r = 1 if v == KEYS[2] or v == false then redis.call("set", KEYS[1], KEYS[3]) else r = 0 end return {r, v}

　　不好意思，我用空格代替了换行，因为语句实现在是太简单。此脚本中的KEYS[1]（lua的数组从1开始）代表你要修改的key, KEYS[2]代表原值，KEYS[3]代表要修改为的值。最终返回两个值：第一个值为1或者0,1代表修改成功，0代表修改失败，无论成功失败，第二个值会返回原值，这是为了方便你直接在cas失败后重新进行计算，而不需要再get一下

　　调用时依照一下方式：

eval 'lua脚本' 3 key oldvalue newvalue

　　但我更建议你将这个脚本加载到redis中，在shell中执行:

> redis-cli script load 'lua脚本'
> "74ff40a09af2913b2651bfbc68d7bab7220daecd"

　　第二行返回的就是这个脚本的sha1的哈希码，下次调用这个脚本你可以直接：

evalsha 74ff40a09af2913b2651bfbc68d7bab7220daecd 3 key oldvalue newvalue

　　你可能疑惑脚本中 v==false的意义，原因是，如果你调用redis.call去获取一个不存在的key，会返回false。由于我使用的go-redis中无法把nil作为old value发送给redis (redis-clie也不行)，所以这个脚本会在key不存在的情况下cas成功，无论你把oldvalue赋予了什么值。我想这在大多数场景中都不成问题。对于任意语言的redis框架，对应参数传个空字符串就可以了。对于第二个返回值，这种情况下会返回nil, 能被框架成功解析成对应语言的null值（比如go就是nil）

　　以下是实际的例子, 在redis-cli下：

> evalsha 74ff40a09af2913b2651bfbc68d7bab7220daecd 3 nosuchkey a b
> 1) (integer) 1
> 2) (nil)
> evalsha 74ff40a09af2913b2651bfbc68d7bab7220daecd 3 nosuchkey b c
> 1) (integer) 1
> 2) "b"

 　　

　　基于Watch和Multi的cas实现

 　　如果你尝试过自己搜索一下redis cas的解决方案，我想你看到的大多数文章都是基于“redis 事务”的，即watch和multi。曾经我做面试官的时候，询问面试者一个他们解决方案，我说既然用到了redis，为什么不尝试用“redis 事务”解决一下这个问题。他表示“不知道redis 事务”，而且根据“事务”二字顺理成章的认为“事务会大大影响redis性能”

　　实际上所谓的redis事务并不像关系型数据库的事务那么复杂，举个例子, 使用了redis 某种语言框架的伪代码：

client = redis.newClient() //创建客户端
client.watch("teacher") // 对应redis的指令 watch teacher
client.multi() // 对应redis的指令 multi
a = client.get("teacher") // 对应redis的指令 get teacher
if a == "annie" 
　　client.set("teacher", "joe") // 对应redis的指令 set teacher joe
else
　　client.set("teacher", "han") // 对应redis的指令 set teacher han
client.exec() // 对应redis的指令 exec

　　服务器为每一个被watch的key维护了一个链，当你的客户端执行到watch teacher时，会被加到这个链上去。之后exec之前的所有get, set操作其实仅仅是进入了一个指令队列，待到exec时，如果watch 的key 没发生变更，则一起执行，否则不执行

　　拿这种机制与数据库事务对比，会发现无论这个所谓的"redis事务"中间隔了多长时间，其实也并不影响其他指令或者事务，而且一旦队列中的指令执行，也是无法插入其他指令的，保证了隔离性

　　

　　性能上的对比

　　好了，现在我们有两个方案了，那个更好一点呢？我倾向于lua脚本的方案，一是因为这个脚本相对易读，通用，减小开发人员代码量。二就是因为性能。我进行了两个简单的实验, 基于我的笔记本上的虚拟机中的docker...，虚拟机分配了2核2G内存

　　单线程实验

　　三种交互方式：set——直接对测试key进行set操作， cas——通过lua脚本进行set，并且故意设计成一半成功一半不成功，watch——先watch，再set，最后exec

　　并发数：1

　　循环次数：10000

　　跑了若干次的结果：

　　

set	cas	watch
2.0s-2.3s	2.1s-2.9s	4.3s-4.9s

　　并发实验

　　三种交互方式：set——对测试key先get后set操作， cas——先get，再通过lua脚本进行set，watch——先watch，再get，再set，最后exec

　　并发数：500

　　循环次数：1000

　　跑了若干次的结果：

set	cas	watch
1m13s-1m33s	1m30s-1m49s	2m23s-2m32s

 　　

　　从以上结果可以看出来，在模拟对一个key进行高并发的操作时，lua脚本会略微比set耗时一些，但事务的方式要远高于其他两个

　　对于这个试验我要做个说明：

1. 为了减小语言本身多线程并发的开销，我选择了go语言
2. 测试前做了预热
3. 没把建立连接的时间算进去
4. 看似500并发的测试，其实还是受物理机CPU核数影响比较大，所以并不能真正模拟出实际高并发的场景
5. 两个结果中，网络的延迟应该比redis处理速度占时更多，甚至远多于
6. 这是一个非正式的测试结果，仅供横向对比
7. 即使4,5两条成立，依旧不会影响lua脚本更好的结论，因为毕竟同样的功能都跑了50w次，lua要比事务省时间

　　最后留下测试代码以供参考: github地址

　　

　　作者：cz