基于 Redis 实现 CAS 操作

Intro#

在 .NET 里并发情况下我们可以使用 Interlocked.CompareExchange 来实现 CAS （Compare And Swap）操作，在分布式的情景下很多时候我们都会使用 Redis ，最近在改之前做的一个微信小游戏项目，之前是单机运行的，有些数据存储是基于内存的，直接基于对象操作的，最近要改成支持分布式的，于是引入了 redis，原本基于内存的数据就要迁移到 redis 中存储，原来的代码里有一些地方使用了 Interlocked.CompareExchange 来实现 CAS 操作，迁移到 redis 中之后也需要类似的功能，于是就想基于 redis 实现 CAS 操作。

CAS#

CAS (Compare And Swap) 通常可以使用在并发操作中更新某一个对象的值，CAS 是无锁操作，CAS 相当于是一种乐观锁，而直接加锁相当于是悲观锁，所以相对来说 CAS 操作是会比直接加锁更加高效的。

Redis Lua#

redis 从 2.6.0 版本开始支持 Lua 脚本，Lua 脚本的执行是原子性的，所以我们在实现基于 redis 的分布式锁释放锁的时候或者下面要介绍的实现CAS 操作的，要执行多个操作但是希望操作是原子操作的时候就可以借助 Lua 脚本来实现（也可以使用事务来做）

基于 Redis Lua 实现 CAS#

String CAS Lua Script:

KEYS[1] 对应要操作的String 类型的 redis 缓存的 key，ARGV[1]对应要比较的值，值相同则更新成 ARGV[2]，并返回 1，否则返回 0

if redis.call(""get"", KEYS[1]) == ARGV[1] then
    redis.call(""set"", KEYS[1], ARGV[2])
    return 1
else
    return 0
end

Hash CAS Lua Script:

KEYS[1] 对应要操作的 Hash 类型的 redis 缓存的 key，ARGV[1] 对应 Hash 的 field，ARGV[2]对应要比较的值，值相同则更新成 ARGV[3]，并返回 1，否则返回 0

if redis.call(""hget"", KEYS[1], ARGV[1]) == ARGV[2] then
    redis.call(""hset"", KEYS[1], ARGV[1], ARGV[3])
    return 1
else
    return 0
end

基于 StackExchange.Redis 的实现#

为了方便使用，基于 IDatabase 提供了几个方便使用的扩展方法，实现如下：

public static bool StringCompareAndExchange(this IDatabase db, RedisKey key, RedisValue newValue, RedisValue originValue)
{
    return (int)db.ScriptEvaluate(StringCasLuaScript, new[] { key }, new[] { originValue, newValue }) == 1;
}

public static async Task<bool> StringCompareAndExchangeAsync(this IDatabase db, RedisKey key, RedisValue newValue, RedisValue originValue)
{
    return await db.ScriptEvaluateAsync(StringCasLuaScript, new[] { key }, new[] { originValue, newValue })
        .ContinueWith(r => (int)r.Result == 1);
}

public static bool HashCompareAndExchange(this IDatabase db, RedisKey key, RedisValue field, RedisValue newValue, RedisValue originValue)
{
    return (int)db.ScriptEvaluate(HashCasLuaScript, new[] { key }, new[] { field, originValue, newValue }) == 1;
}

public static async Task<bool> HashCompareAndExchangeAsync(this IDatabase db, RedisKey key, RedisValue field, RedisValue newValue, RedisValue originValue)
{
    return await db.ScriptEvaluateAsync(HashCasLuaScript, new[] { key }, new[] { field, originValue, newValue })
        .ContinueWith(r => (int)r.Result == 1);
}

实际使用#

使用可以参考下面的测试代码：

[Fact]
public void StringCompareAndExchangeTest()
{
    var key = "test:String:cas";
    var redis = DependencyResolver.Current
        .GetRequiredService<IConnectionMultiplexer>()
        .GetDatabase();
    redis.StringSet(key, 1);

    // set to 3 if now is 2
    Assert.False(redis.StringCompareAndExchange(key, 3, 2));
    Assert.Equal(1, redis.StringGet(key));

    // set to 4 if now is 1
    Assert.True(redis.StringCompareAndExchange(key, 4, 1));
    Assert.Equal(4, redis.StringGet(key));

    redis.KeyDelete(key);
}

[Fact]
public void HashCompareAndExchangeTest()
{
    var key = "test:Hash:cas";
    var field = "testField";

    var redis = DependencyResolver.Current
        .GetRequiredService<IConnectionMultiplexer>()
        .GetDatabase();
    redis.HashSet(key, field, 1);

    // set to 3 if now is 2
    Assert.False(redis.HashCompareAndExchange(key, field, 3, 2));
    Assert.Equal(1, redis.HashGet(key, field));

    // set to 4 if now is 1
    Assert.True(redis.HashCompareAndExchange(key, field, 4, 1));
    Assert.Equal(4, redis.HashGet(key, field));

    redis.KeyDelete(key);
}