面试题：在高并发场景下Redis跳跃表的构建与维护面临哪些挑战及解决方案

Question

在高并发环境中，多个操作同时对Redis跳跃表进行构建与维护，可能会产生竞争条件等问题。请详细分析可能面临的挑战，并提出针对性的解决方案，包括如何保证数据一致性和操作的原子性。

Answer 1

可能面临的挑战

1. 竞争条件：多个线程或进程同时修改跳跃表结构，例如插入或删除节点时，可能导致跳跃表结构损坏，比如指针指向错误、层次不一致等问题。
2. 数据一致性：不同操作可能在不同时刻读取和修改跳跃表数据，使得数据在高并发场景下不一致，例如某个插入操作还未完成，另一个读取操作就获取到了部分修改后的数据。
3. 操作原子性：对跳跃表的复杂操作，如插入新节点并调整多层索引，若不能保证原子性，可能出现部分操作完成，部分未完成的情况，导致跳跃表处于不一致状态。

针对性解决方案

1. 锁机制：
   • 互斥锁：在对跳跃表进行构建或维护操作前，获取互斥锁。例如在Redis的C语言实现中，可以使用pthread_mutex_t 类型的互斥锁。在进行插入、删除等操作前，调用 pthread_mutex_lock 函数获取锁，操作完成后调用 pthread_mutex_unlock 释放锁。这样同一时间只有一个线程能操作跳跃表，避免竞争条件。
   • 读写锁：如果读取操作远多于写操作，可以使用读写锁。读操作时获取读锁（允许多个读操作同时进行），写操作时获取写锁（独占访问）。在C语言中，可以使用 pthread_rwlock_t 类型的读写锁，读操作前调用 pthread_rwlock_rdlock，写操作前调用 pthread_rwlock_wrlock，操作完成后都调用 pthread_rwlock_unlock 释放锁。这既能保证写操作的原子性和数据一致性，又能提高读操作的并发性能。
2. 事务机制：
   • Redis 本身支持事务，通过 MULTI、EXEC 命令实现。将对跳跃表的一系列操作包装在一个事务中，MULTI 标记事务开始，之后的操作进入队列，EXEC 原子性地执行队列中的所有操作。例如，要对跳跃表执行插入和更新操作，可以先发送 MULTI，然后依次发送插入和更新命令，最后发送 EXEC。这样能保证这组操作的原子性和数据一致性。
3. 乐观锁：
   • 为跳跃表维护一个版本号。每次读取跳跃表数据时，同时获取版本号。在执行写操作前，再次检查版本号是否与读取时一致。如果一致，则执行写操作并更新版本号；如果不一致，说明数据已被其他操作修改，需要重新读取数据并再次尝试写操作。在Redis中，可以通过 WATCH 命令实现乐观锁机制。例如，先执行 WATCH key 监视跳跃表对应的键，之后读取数据和版本号，准备写操作时，若版本号未变，使用 MULTI 和 EXEC 执行写操作，若版本号变化，放弃本次操作并重新开始。这可以在一定程度上减少锁竞争，提高并发性能。