「日志」Redis开启事务
小明 Lv8

日常开发中往往会有一些业务场景,需要支持一个key多个序列化操作,比如维护一个大小为2的队列,当有新元素过来时,需要先获取队列中的第一个元素与新数据比较,当满足条件时,再操作队列,左边lpush,右边rpop,就这样循环往复,保证该队列是有序的,并且第一个元素永远是最新的。这个场景对应的一系列操作在高并发的场景下,就需要通过redis的事务保证顺序执行。

redis的事务

Redis 事务可以一次执行多个命令,本质是一组命令的集合。一个事务中的所有命令都会序列化,按顺序地串行化执行而不会被其它命令插入,不许加塞。
Redis 的事务在形式上看起来也差不多,分为三个阶段

  • 开启事务(multi)
  • 命令入队(业务操作)
  • 执行事务(exec)或取消事务(discard)
    举例如下:
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> multi
OK
> lpush xiaoming hello
QUEUED
> lpush xiaoming world
QUEUED
> exec
1) "OK"
2) "1"
3) "OK"
4) "2"
5) "OK"

上面的指令演示了一个完整的事务过程,所有的指令在 exec 之前不执行,而是缓存在服务器的一个事务队列中,服务器一旦收到 exec 指令,才开执行整个事务队列,执行完毕后一次性返回所有指令的运行结果。
Redis 事务可以一次执行多个命令,本质是一组命令的集合。一个事务中的所有命令都会序列化,按顺序地串行化执行而不会被其它命令插入,不许加塞。
可以保证一个队列中,一次性、顺序性、排他性的执行一系列命令(Redis 事务的主要作用其实就是串联多个命令防止别的命令插队)
官方文档是这么说的

事务可以一次执行多个命令, 并且带有以下两个重要的保证:

  • 事务是一个单独的隔离操作:事务中的所有命令都会序列化、按顺序地执行。事务在执行的过程中,不会被其他客户端发送来的命令请求所打断。
  • 事务是一个原子操作:事务中的命令要么全部被执行,要么全部都不执行
命令 描述
MULTI 标记一个事务块的开始
EXEC 执行所有事务块内的命令
DISCARD 取消事务,放弃执行事务块内的所有命令
WATCH 监视一个(或多个)key,如果在事务执行之前这个(或多个)key被其他命令所改动,那么事务将被打断
UNWATCH 取消 WATCH 命令对所有 keys 的监视

事务中的错误

我们用 Redis 事务的时候,可能会遇上以下两种错误:

  • 事务在执行 EXEC 之前,入队的命令可能会出错。比如说,命令可能会产生语法错误(参数数量错误,参数名错误等等),或者其他更严重的错误,比如内存不足(如果服务器使用 maxmemory 设置了最大内存限制的话)。

  • 命令可能在 EXEC 调用之后失败。举个例子,事务中的命令可能处理了错误类型的键,比如将列表命令用在了字符串键上面,诸如此类。

Redis 针对如上两种错误采用了不同的处理策略:

  • 对于发生在 EXEC 执行之前的错误,服务器会对命令入队失败的情况进行记录,并在客户端调用 EXEC 命令时,拒绝执行并自动放弃这个事务(Redis 2.6.5 之前的做法是检查命令入队所得的返回值:如果命令入队时返回 QUEUED ,那么入队成功;否则,就是入队失败)

  • 对于那些在 EXEC 命令执行之后所产生的错误, 并没有对它们进行特别处理: 即使事务中有某个/某些命令在执行时产生了错误, 事务中的其他命令仍然会继续执行。

接下来我们实际操作一下:

事务执行EXEC前发生错误

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>multi
"OK"
>lpush xiaoming hello
"QUEUED"
>lpush xiaoming
"ERR wrong number of arguments for 'lpush' command"
0>exec
"EXECABORT Transaction discarded because of previous errors."
0>

某一条操作记录报错的话,exec 后所有操作都不会成功

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0>multi
"OK"
set xiaoming hello
"QUEUED"
0>decr xiaoming
"QUEUED"
set coder hello
"QUEUED"
0>exec
1) "OK"
2) "OK"
3) "OK"
4) "ERR value is not an integer or out of range"
5) "OK"
6) "OK"
7) "OK"
0>mget xiaoming coder
1) "hello"
2) "hello"

示例中 xiaoming 被设置为 String 类型,decr xiaoming 可以放入操作队列中,因为只有在执行的时候才可以判断出语句错误,其他正确的会被正常执行。

为什么 Redis 不支持回滚

如果你有使用关系式数据库的经验,那么 “Redis 在事务失败时不进行回滚,而是继续执行余下的命令”这种做法可能会让你觉得有点奇怪。

以下是官方的自夸:

Redis 命令只会因为错误的语法而失败(并且这些问题不能在入队时发现),或是命令用在了错误类型的键上面:这也就是说,从实用性的角度来说,失败的命令是由编程错误造成的,而这些错误应该在开发的过程中被发现,而不应该出现在生产环境中。
因为不需要对回滚进行支持,所以 Redis 的内部可以保持简单且快速。
有种观点认为 Redis 处理事务的做法会产生 bug , 然而需要注意的是, 在通常情况下, 回滚并不能解决编程错误带来的问题。 举个例子, 如果你本来想通过 INCR 命令将键的值加上 1 , 却不小心加上了 2 , 又或者对错误类型的键执行了 INCR , 回滚是没有办法处理这些情况的。
鉴于没有任何机制能避免程序员自己造成的错误, 并且这类错误通常不会在生产环境中出现, 所以 Redis 选择了更简单、更快速的无回滚方式来处理事务。

带 Watch 的事务

WATCH 命令用于在事务开始之前监视任意数量的键: 当调用 EXEC 命令执行事务时, 如果任意一个被监视的键已经被其他客户端修改了, 那么整个事务将被打断,不再执行, 直接返回失败。

WATCH命令可以被调用多次。 对键的监视从 WATCH 执行之后开始生效, 直到调用 EXEC 为止。

用户还可以在单个 WATCH 命令中监视任意多个键, 就像这样:

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redis> WATCH key1 key2 key3 
OK

当 EXEC 被调用时, 不管事务是否成功执行, 对所有键的监视都会被取消。另外,当客户端断开连接时,该客户端对键的监视也会被取消。

我们看个简单的例子,用 watch 监控我的账号余额(一周100零花钱),正常消费

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0>set balance 100
"OK"
0>watch balance
"OK"
0>multi
"OK"
0>decrby balance 20
"QUEUED"
0>decrby balance 30
"QUEUED"
0>exec
1) "OK"
2) "80"
3) "OK"
4) "50"
5) "OK"

上面的示例好像没有体现出来watch的作用,我们再举个生动的例子。
辛苦搬砖一天的小明,洗漱过后,躺在床上打开王者荣耀,犹豫再三是否要首充6块钱,迟迟没付款。

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0>set balance 100
"OK"
0>watch balance
"OK"
0>multi
"OK"
>decrby balance 6
"QUEUED"

而此时此刻,我对象在一旁观看主播带货,喜欢上了两支口红,并且在李佳琪”上链接!“的口令下,果断立即下单。

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0>decrby balance 100
"0"

毫不知情的我,这个时候终于决定结账,却发现

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0>exec
(空)

扣款失败,到底发生了什么呢?

原来watch指令,类似乐观锁,事务提交时,如果 key 的值已被别的客户端改变,比如某个 list 已被别的客户端修改过了,整个事务队列都不会被执行。(当然也可以用 Redis 实现分布式锁来保证安全性,属于悲观锁)

通过 watch 命令在事务执行之前监控了多个 keys,倘若在 watch 之后有任何 key 的值发生变化,exec 命令执行的事务都将被放弃,同时返回 Null 应答以通知调用者事务执行失败。

悲观锁
悲观锁(Pessimistic Lock),顾名思义,就是很悲观,每次去拿数据的时候都认为别人会修改,所以每次在拿数据的时候都会上锁,这样别人想拿这个数据就会 block 直到它拿到锁。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制,比如行锁,表锁等,读锁,写锁等,都是在做操作之前先上锁

乐观锁
乐观锁(Optimistic Lock),顾名思义,就是很乐观,每次去拿数据的时候都认为别人不会修改,所以不会上锁,但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据,可以使用版本号等机制。乐观锁适用于多读的应用类型,这样可以提高吞吐量。乐观锁策略:提交版本必须大于记录当前版本才能执行更新

WATCH 命令的实现原理
在代表数据库的 server.h/redisDb 结构类型中, 都保存了一个 watched_keys 字典, 字典的键是这个数据库被监视的键, 而字典的值是一个链表, 链表中保存了所有监视这个键的客户端,如下图。

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typedef struct redisDb {
dict *dict; /* The keyspace for this DB */
dict *expires; /* Timeout of keys with a timeout set */
dict *blocking_keys; /* Keys with clients waiting for data (BLPOP)*/
dict *ready_keys; /* Blocked keys that received a PUSH */
dict *watched_keys; /* WATCHED keys for MULTI/EXEC CAS */
int id; /* Database ID */
long long avg_ttl; /* Average TTL, just for stats */
unsigned long expires_cursor; /* Cursor of the active expire cycle. */
list *defrag_later; /* List of key names to attempt to defrag one by one, gradually. */
} redisDb;

list *watched_keys; /* Keys WATCHED for MULTI/EXEC CAS */

WATCH 命令的作用, 就是将当前客户端和要监视的键在 watched_keys 中进行关联。

举个例子, 如果当前客户端为 client99 , 那么当客户端执行 WATCH key2 key3 时, 前面展示的 watched_keys 将被修改成这个样子:

通过 watched_keys 字典, 如果程序想检查某个键是否被监视, 那么它只要检查字典中是否存在这个键即可; 如果程序要获取监视某个键的所有客户端, 那么只要取出键的值(一个链表), 然后对链表进行遍历即可。

在任何对数据库键空间(key space)进行修改的命令成功执行之后 (比如 FLUSHDB、SET 、DEL、LPUSH、 SADD,诸如此类), multi.c/touchWatchedKey 函数都会被调用 —— 它会去 watched_keys 字典, 看是否有客户端在监视已经被命令修改的键, 如果有的话, 程序将所有监视这个/这些被修改键的客户端的 REDIS_DIRTY_CAS 选项打开:

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void multiCommand(client *c) {
// 不能在事务中嵌套事务
if (c->flags & CLIENT_MULTI) {
addReplyError(c,"MULTI calls can not be nested");
return;
}
// 打开事务 FLAG
c->flags |= CLIENT_MULTI;
addReply(c,shared.ok);
}

/* "Touch" a key, so that if this key is being WATCHed by some client the
* next EXEC will fail. */
void touchWatchedKey(redisDb *db, robj *key) {
list *clients;
listIter li;
listNode *ln;
// 字典为空,没有任何键被监视
if (dictSize(db->watched_keys) == 0) return;
// 获取所有监视这个键的客户端
clients = dictFetchValue(db->watched_keys, key);
if (!clients) return;

// 遍历所有客户端,打开他们的 CLIENT_DIRTY_CAS 标识
listRewind(clients,&li);
while((ln = listNext(&li))) {
client *c = listNodeValue(ln);

c->flags |= CLIENT_DIRTY_CAS;
}
}

当客户端发送 EXEC 命令、触发事务执行时, 服务器会对客户端的状态进行检查:

如果客户端的 CLIENT_DIRTY_CAS 选项已经被打开,那么说明被客户端监视的键至少有一个已经被修改了,事务的安全性已经被破坏。服务器会放弃执行这个事务,直接向客户端返回空回复,表示事务执行失败。
如果 CLIENT_DIRTY_CAS 选项没有被打开,那么说明所有监视键都安全,服务器正式执行事务。

小总结:

3 个阶段

开启:以 MULTI 开始一个事务
入队:将多个命令入队到事务中,接到这些命令并不会立即执行,而是放到等待执行的事务队列里面
执行:由 EXEC 命令触发事务

3 个特性

单独的隔离操作:事务中的所有命令都会序列化、按顺序地执行。事务在执行的过程中,不会被其他客户端发送来的命令请求所打断。

没有隔离级别的概念:队列中的命令没有提交之前都不会实际的被执行,因为事务提交前任何指令都不会被实际执行,也就不存在”事务内的查询要看到事务里的更新,在事务外查询不能看到”这个让人万分头痛的问题

不保证原子性:Redis 同一个事务中如果有一条命令执行失败,其后的命令仍然会被执行,没有回滚
在传统的关系式数据库中,常常用 ACID 性质来检验事务功能的安全性。Redis 事务保证了其中的一致性(C)和隔离性(I),但并不保证原子性(A)和持久性(D)。

最后

Redis 事务在发送每个指令到事务缓存队列时都要经过一次网络读写,当一个事务内部的指令较多时,需要的网络 IO 时间也会线性增长。所以通常 Redis 的客户端在执行事务时都会结合 pipeline 一起使用,这样可以将多次 IO 操作压缩为单次 IO 操作。

  • 本文标题:「日志」Redis开启事务
  • 本文作者:小明
  • 创建时间:2021-09-05 23:11:07
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