Redis如何实现原子性自增自减

一、背景        

假设有一个需求，包含简单的两个步骤：

1. 第一步是用户获取验证码，检验验证码成功后跳转到表单填写页面；
2. 第二步是用户填写表单并提交申请。

为了防止用户跳过第一步直接提交申请，我们采取了以下策略：

1. 在验证码验证成功后，我们将用户Id作为Key，剩余可申请次数作为Value，将这个键值对存储在Redis中并设置过期时间；
2. 在收到用户提交的申请请求后，首先检查Redis中该用户Id对应的Value是否存在且大于0。我们将申请次数减一，并允许用户提交申请；如果不满足条件，则直接抛出异常。

二、increment

针对以上策略的第一步，直接上伪代码

1.检验验证码方法如下：

//以下为伪代码，重点关注redis的调用逻辑

//校验验证码方法
public void checkCode(String code){

    //校验验证码逻辑
    ...

    
    //校验通过
    redisBuryingPoint(userId);

}

以上代码，略过了校验验证码的逻辑，在验证码校验成功后，调用了'redisBuryingPoint(userId)'方法进行埋点，其中userId为用户Id。

2.redisBuryingPoint方法如下：

/**
 * redis埋点
 * @param userId 用户id
*/
public void redisBuryingPoint(String userId) {

    int value = redisService.increment(userId, 1 * 60 * 60L);
    logger.info("用户[{}]验证成功共计[{}]次", userId, value);
}

3.redisService#increment(String key, Long expirationTimeInSeconds) 方法如下:

/**
 * 自增  
 * @param key 要加一的键
 * @param expirationTimeInSeconds 过期时间
*/
public int increment(String key, Long expirationTimeInSeconds) {
        // +1 操作
        int result = redisTemplate.opsForValue().increment(key).intValue();
        // 设置过期时间
        redisTemplate.expire(KEY, expirationTimeInSeconds, TimeUnit.SECONDS);
        //返回
        return result;
}

4.小结

以上就完成了redis埋点的过程。即使同一个用户在同一时间进行多个验证码的验证操作，即在并发场景下多个请求同时调用'increment() '方法时，RedisTemplate 会自动处理并发操作，确保操作的原子性和一致性。

三、decrement

针对以上策略的第二步，伪代码如下

1.申请提交预校验方法如下：

/**
 * 预校验：校验短信验证成功的次数
 * @param userId 用户Id
*/
private void preCheck(String userId) {

    Long result = redisService.decrement(userId);

    if (result != null) {
        // 成功递减
        logger.info("发起申请成功，用户[{}]验证成功次数剩余[{}]次", userId, result);
    } else {
        // 值不存在，无需递减操作
        logger.error("发起申请失败，用户[{}]验证成功次数不足", userId);
        throw new RuntimeException("发起申请失败，请先进行短信验证！")
    }
}

在上述代码中，我们直接调用redisService的 decrement() 方法，我们检查返回的结果是否为 null，如果不为 null，表示递减操作成功，并打印递减后的剩余次数。如果结果为 null，表示值不存在，没有进行递减操作，打印错误日志并抛出异常。

2.redisService#decrement(String key) 方法如下:

private RedisScript decrementScript;

public RedisService() {
        //定义 Lua 脚本
        this.decrementScript = new DefaultRedisScript<>(
                "if redis.call('exists', KEYS[1]) == 1 and tonumber(redis.call('get', KEYS[1])) > 0 then " +
                "   return redis.call('decr', KEYS[1]) " +
                "else " +
                "   return nil " +
                "end",
                Long.class);
    }


/**
 * 自减 
 * @param key 要减一的键
 * 
*/
public Long decrement(String key) {
        return redisTemplate.execute(decrementScript, Collections.singletonList(key));    
}

在上述代码中，我们使用 Lua 脚本来执行递减操作。脚本首先检查键是否存在，如果存在则执行递减操作，如果不存在则返回空。在 Java 代码中，我们使用 DefaultRedisScript 来定义 Lua 脚本，并通过 redisTemplate.execute() 方法来执行脚本。

3.小结

以上就完成了redis消费的过程。即使同一个用户在同一时间提交多次申请，即在并发场景下多个请求同时调用'decrement()'方法时，Redis 执行 Lua 脚本，会将整个脚本作为一个原子操作进行执行。确保操作的原子性和一致性。

四、其他

        当 Redis 的键不存在时，使用 opsForValue().increment() 方法会将键的值初始化为 1，并执行递增操作；使用 opsForValue().decrement() 方法会将键的值初始化为 -1，并执行递减操作。

        所以，如果在调用 increment() 方法时，键对应的值不存在，它将被赋值为 1；如果在调用 decrement() 方法时，键对应的值不存在，它将被赋值为 -1。