阿里 P7二面：Redis 执行 Lua，能保证原子性吗？

你好，我是猿java。

Redis 和 Lua，两个看似风流马不相及的技术框架，为什么能产生"爱"的火花？面试中的高频问题：Redis 执行 Lua，到底能不能保证原子性？今天就来聊一聊。

一、原子性

在回答问题之前，似乎需要对"原子性"这个概念有一个清新的认识，因此，我们首先要分析的是原子性的概念。

关系型数据库的原子性

通常意义上，我们说的原子性是指关系型数据库RDBMS（比如 MySQL）的原子性，也就是 ACID（Atomicity、Consistency、Isolation、Durability）中 Atomicity这一项特性。

ACID 中的原子性指是：事务中的所有操作要么全部执行成功，要么全部失败回滚。

这里以银行转账这个生活实例来解释原子性：账户A 给账户B 转账100元，原子性就是指账户A减去100元的同时，账户B必须增加100元，如果账户A减少100元，账户B没有增加100元，该操作就不具备原子性，需要进行回滚，将账户A减少的100元加回去。Java代码实现如下：

Lua 原子性

Lua 本身并没有提供对于原子性的直接支持，它只是一种脚本语言，通常是嵌入到其他宿主程序中运行，比如 Redis。

在 Redis中，执行 Lua脚本的原子性是指：整个 Lua脚本在执行期间，不会被其他客户端的命令打断。

为了更好地理解 Redis执行 Lua的原子性，这里以 Lua脚本中需要完成 SET key1 value1 和 INCRBY key2 value2 和 SET key3 value3 三个命令为例：

上述例子中，整个 luaScript 字符串脚本作为一个整体被执行且不被其他事务打断，这就是一个原子性的操作。

好了，总结下 ACID的原子性和 Redis执行 Lua脚本原子性在概念上的差异：

ACID的原子性是指：命令要么全执行，要么全部不执行；
Redis中执行 Lua脚本原子性是指：Lua脚本需要作为一个整体执行且不被其他事务打断，至于 Lua脚本里面的命令是否必须全部成功，或者全部失败，并不要求。关于这一点，在下面的内容会详细解释；

二、Redis 事务

在分析原子性概念时，我们可以发现"原子性"其实就是事务中的一项特性，因此，接下来分析 Redis的事务也就顺理成章了。下图是 Redis官方对事务描述的摘要：

文档看起来很长，总结成一句话：Redis 事务允许执行一批命令，通过执行 MULTI命令开启事务，执行 EXEC命令结束事务，WATCH 和 DISCARD 配合事务一起使用，提供了一种 CAS(check-and-set) 乐观锁的机制。WATCH 用于监听 Key，如果被监听的 Key有任何一个发生变化，则中止事务（被动关闭事务），而 DISCARD 用于主动中止事务。

MULTI/EXEC 命令****

用一个示例来理解 MULTI/EXEC：

通过执行的结果可以看出：Redis的事务是以 MULTI命令开启，以 EXEC命令结束，期间所有的命令都是先进入队列，只有执行 EXEC命令时，才会把队列中的所有命令顺序串行执行，并且返回一个所有命令执行结果的数组，包括命令执行的错误信息。

需要注意的是：在 EXEC 执行后，即使事务队列中有命令执行失败，队列中的所有其他命令也会被处理，Redis 不会停止执行这些命令。

DISCARD 和 WATCH 也是 Redis 中用于事务的两个命令，它们与 MULTI 和 EXEC 一起使用，提供更复杂的事务处理机制。

WATCH 命令

WATCH 命令用于监听一个或多个 Key，如果在执行事务期间这些 Key中任何一个Key的 value被其他事务修改，当前整个事务将会被中止。（需要注意：低于 6.0.9 的 Redis 版本，Key过期不会中止事务）

如下示例：事务1 watch key1 key2，事务2在事务1执行期间修改 key2 = 10，当事务1执行 exec命令时，因为 watch监听到 key2被其他事务（事务2）修改了(value=10) ，因此事务1被取消，事务队列中的所有命令被清除，即 set key1 value1 和 incrby key 2两条命令都不执行，key2的 value还是10；

事务1	事务2
watch key1 key2
multi
set key1 value1
incrby key2 2	set key2 10
exec
keys * // 只有key2=10	keys * // 只有key2=10

DISCARD 命令

DISCARD 命令用于中止事务。

如下示例，执行 DISCARD命令后，当前事务被中止，因此，执行 EXEC 时会报"ERR EXEC without MULTI"错误。

事务中的错误

事务中主要会出现两种类型的错误：

事务命令进入事务队列之前出错。例如，命令语法错误（参数错误、命令名称错误等），或者可能存在一些关键情况，比如内存不足。如下示例，命令incr key2 1/0 在进入事务队列之前报错，所以，当前事务被中止，执行 EXEC命令会报错：
调用 EXEC 命令后，事务队列中的命令执行失败。例如，对字符串值进行加1操作。如下示例，key的 value是字符串，当对 key 执行incr key 操作时报错，因此，该条命令执行失败：

事务回滚

Redis的事务不支持回滚。 官方说明如下：

Redis 不支持事务回滚，因为支持回滚会对 Redis 的简单性和性能产生重大影响。

官方说明简明扼要，其实，多加思考也能理解："Redis" 是 "REmote DIctionary Server" 的缩写，翻译为"远程字典服务"，设计的初衷是用于缓存，追求快速高效。而了解过 ACID事务的小伙伴应该能明白事务回滚的复杂度，因此，Redis不支持事务回滚似乎也合情合理。

到此，我们也对 Redis事务做个小结：Redis的事务由 MULTI/EXEC 两个命令完成，WATCH/DISCARD 两个命令的加持，给 Redis事务提供了 CAS 乐观锁机制。Redis 事务不支持回滚，它和关系型数据库（比如 MySQL）的事务（ACID）是不一样的。

三、Redis 如何执行 Lua？

分析完原子性和 Redis事务这些理论知识后，我们就得动手实操，看看 Redis是如何执行 Lua的。

一般情况下，Redis执行 Lua常用的方法有 2种：

原生命令，比如 EVAL/EVALSHA命令等；
编程工具，比如编程语言中提供的三方工具包或类库；

在编写 Lua脚本时，需要注意区分 redis.call() 和 redis.pcall() 两个命令的使用。

EVAL

语法：

css 复制代码

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

EVAL语法很简单，EVAL script numkeys 是必填项，[key [key ...]] [arg [arg ...]]是选填项。

如下示例截图，分别展示了不传Key，传 1个key 和 2个 key 3种场景：

下图示例展示了 [key [key ...]] [arg [arg ...]] 和 numkeys 匹配错误时报错的场景：

redis.call()

redis.call() 用于执行 Redis的命令。当命令执行出错时，会阻断整个脚本执行，并将错误信息返回给客户端。

如下示例：当执行INCRBY key2 1/0 失败时，会抛异常，后续流程被阻断，即SET key3 value3没有被执行。

Redis原生命令执行示例如下：

less 复制代码

# Redis Lua callEVAL "redis.call('SET', 'key1', 'value1'); redis.call('INCRBY', 'key2', 1/0); redis.call('SET', 'key3', 'value3')" 0

使用 Jedis框架执行 Lua示例如下：

查看 Lua执行后各个key的值，截图如下：

redis.pcall()

redis.pcall() 也用于执行 Redis的命令。当命令执行出错时，不会阻断脚本的执行，而是内部捕获错误，并继续执行后续的命令。

如下示例：当执行INCRBY key2 1/0 失败时，不会抛异常，后续流程继续执行，即SET key3 value3 也被执行。

Redis原生命令执行示例：

less 复制代码

# Redis Lua pcallEVAL "redis.pcall('SET', 'key1', 'value1'); redis.pcall('INCRBY', 'key2', 1/0); redis.pcall('SET', 'key3', 'value3')" 0

使用 Jedis框架执行 Lua示例：

对于 Lua中 redis.call() 和 redis.pcall() 如何选择，需要根据实际业务来判断，标准是：当 Lua脚本中某条命令执行出错时，是否需要阻断后续的命令执行。

四、如何保证原子性？

Redis是典型的 C/S(Client/Server) 模型，如下图：

这里以 Redis单机部署为例，讲解如何保证原子性。当客户端向服务器发送一段带有 Lua 脚本的请求时，Redis会把该 Lua脚本当作一个整体，将 Lua脚本加载到一个脚本缓存中，因为 Redis读写命令是单线程操作，因此，Lua脚本的读写在 Redis服务器上可以简单地抽象成下图，所有的 Lua脚本会按照进入顺序放入队列中，然后串行进行读写，这样就保证了原子性：

需要说明：Redis 有 3种不同的部署方式，部署方式不同，原子性的保证也不一样。

单机部署

不管 Lua脚本中操作的 key是不是同一个，都能保证原子性；
主从部署

****Redis 主从复制是用于将主节点的数据同步到从节点，以保持数据的一致性。而Redis的所有写操作都在主节点上，所以，不管 Lua脚本中操作的 key是不是同一个，都能保证原子性；

需要注意：当主节点执行写命令时，从节点会异步地复制这些写操作。在这个复制的过程中，从节点的数据可能与主节点存在一定的延迟。因此，如果在 Lua 脚本中包含读操作，并且该脚本在主节点上执行，可能会读到最新的数据，但如果在从节点上执行，可能会读到稍有延迟的数据。
Cluster部署

如果 Lua脚本操作的 key是同一个，能保证原子性；

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，所以不一定能保证原子性；

因此，在 Cluster集群部署的环境下使用 Lua脚本时一定要注意：Lua脚本中操作的是同一个 Key；

五、面试该如何回答？

在面试中，Redis 执行 Lua脚本时，能否保证原子性？这个问题如何作答？

第一步，需要解释这里的原子性是什么？它和关系数据事务 ACID中的一致性的差异是什么？消除原子性在具体载体（RDBMS/NoSQL）上概念的差异；参考#1
第二步，需要解释 Redis的事务，说明 RDBMS/NoSQL 在事务上的差异点；
第三步，需要解释 Redis在不同部署方式下原子性能否保证。Redis部署方式有3种：单机部署，主从部署，Cluster集群部署，需要说明在哪些部署方式下能保证原子性，哪些不能保证原子性；参考 #2
第四步，解释 Redis 执行 Lua脚本是如何保证原子性；
第五步，分析下 Redis的单线程模型和 IO多路复用模型（加分项），这步是可选项；

六、为什么需要 Lua？

既然 Redis事务能保证原子性，为什么还需要 Lua脚本呢？

Lua 脚本一般比 MULTI/EXEC 更快、更简单；
Redis 事务中，事务队列中的所有命令都必须在 EXEC命令执行才会被执行，对于多个命令之间存在依赖关系，比如后面的命令需要依赖上一个命令结果的场景，Redis事务无法满足，因此 Lua 脚本更适合复杂的场景；
Redis 事务能做的 Lua能做，Redis事务做不到的 Lua也能做；

七、Lua注意事项

Redis执行 Lua脚本时，Lua的编写需要注意以下几个点：

不要在 Lua脚本中使用阻塞命令（如BLPOP、BRPOP等）。因此这些命令可能会导致 Redis服务器在执行脚本期间被阻塞，无法处理其他请求；
不要编写过长的 Lua脚本。因为 Redis读写命令是单线程，过长的脚本，加载，解析，运行会比较耗时，导致其他命令的延迟延迟增加；
不要在 Lua脚本中进行复杂耗时的逻辑；因为 Redis读写命令是单线程的，长时间运行脚本可能导致其他命令的延迟增加；
Lua脚本中，需要注意区分 redis.call() 和 redis.pcall() 命令；
Lua 索引表从索引 1 开始，而不是 0；

八、总结

原子性需要区分具体使用的载体，在关系型数据库（比如 MySQL)）和 No SQL（比如Redis）中，原子性的概念是不相同的；
Redis的事务（MULTI/ESXEC）和关系型数据库（比如 MySQL）的事务（ACID）也是不相同的；
ACID的原子性指：命令要么全部执行，要么全部不执行；
Redis执行 Lua脚本的原子性指：Lua脚本会当作一个整体被执行且不被其他事务打断，但是 Lua 脚本里面的命令无法保证"要么全部执行，要么全部不执行"；
Lua脚本使用 redis.pcall() 执行命令出错时会被catch，后续命令会正常执行；
Lua脚本使用 redis.call() 执行命令出错时会抛给客户端，后续命令会被阻断；
Lua 脚本一般比 MULTI/EXEC 更快、更简单；
Redis的部署方式决定了 Redis执行 Lua脚本是否能保证原子性，编写 Lua脚本时，特别需要注意在一个事务中是否要求操作同一个 key；

九、参考资料

Scripting with Lua：redis.io/docs/intera...

Atomicity with Lua：developer.redis.com/develop/jav...

Redis Transactions：redis.io/docs/intera...

The Programming Language Lua：www.lua.org/

十、温馨提示

本文基于 Redis服务器版本为7.0.4，不同的版本，可能略有差异；
本文所有示例都是基于单机环境运行；
Redis的命令不区分大小写，但是 Key 和 Value 区分大小写；

最后，把猿哥的座右铭送给你： 投资自己才是最大的财富。 由于水平有限，如果文章存在缺点和错误，欢迎批评指正。