Redis事务

Ltheta
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Redis通过MULTI、EXEC、WATCH等命令来实现事务（transaction）功能。事务提供了一种将多个命令请求打包，然后一次性、按顺序地执行多个命令的机制，并且在事务执行期间，服务器不会中断事务而改去执行其他客户端的命令请求，它会将事务中的所有命令都执行完毕，然后才去处理其他客户端的命令请求。

事务首先以一个MULTI命令为开始，接着将多个命令放入事务当中，最后由EXEC命令将这个事务提交（commit）给服务器执行

1、事务的实现

MULTI命令的执行标志着事务的开始：

redis> MULTI
ok

MULTI命令可以将执行该命令的客户端从非事务状态切换至事务状态，这一切换是通过在客户端状态的fags属性中打开REDIS_MULTI标识来完成的,当一个客户端处于非事务状态时，这个客户端发送的命令会立即被服务器执行;

与此不同的是，当一个客户端切换到事务状态之后，服务器会根据这个客户端发来的不同命令执行不同的操作：

  • 如果客户端发送的命令为EXEC、DISCARD、WATCH、MULTI四个命令的其中一个，那么服务器立即执行这个命令。
  • 与此相反，如果客户端发送的命令是EXEC、DISCARD、WATCH、MULTI四个命令以外的其他命令，那么服务器并不立即执行这个命令，而是将这个命令放入一个事务队列里面，然后向客户端返回QUEUED回复。

事务队列

每个Redis客户端都有自己的事务状态，这个事务状态保存在客户端状态的mstate属性里面：

typedef struct redisClient{
 //...
 //事务状态
 multiState mstate;   /* MULTI/EXEC state*/
 //...
}redisClient;

事务状态包含一个事务队列，以及一个已入队命令的计数器（也可以说是事务队列的长度）：

typedef struct multiState{
 //事务队列，FIFO顺序
 multiCmd *commands;
 //已入队命令计数
 int count；
}multiState;

事务队列是一个multiCmd类型的数组，数组中的每个multiCmd结构都保存了一个已入队命令的相关信息，包括指向命令实现函数的指针、命令的参数，以及参数的数量：

typedef struct multiCmd{
 //参数
 robj **argv;
 //参数数量
 int argc;
 //命令指针
 struct redisCommand *cmd;
}multiCmd;

执行事务

当一个处于事务状态的客户端向服务器发送EXEC命令时，这个EXEC命令将立即被服务器执行。服务器会遍历这个客户端的事务队列，执行队列中保存的所有命令，最后将执行命令所得的结果全部返回给客户端。

2、WATCH命令的实现

WATCH命令是一个乐观锁（optimistic locking），它可以在EXEC命令执行之前，监视任意数量的数据库键，并在EXEC命令执行时，检查被监视的键是否至少有一个已经被修改过了，如果是的话，服务器将拒绝执行事务，并向客户端返回代表事务执行失败的空回复。

用WATCH命令监视数据库键

每个Redis数据库都保存着一个watched_keys字典，这个字典的键是某个被WATCH命令监视的数据库键，而字典的值则是一个链表，链表中记录了所有监视相应数据库键的客户端：

typedef struct redisDb{
 //...
 //正在呗WATCH命令监视的建
 dict *watched_keys;
 //...
}ridesDb;

通过watched_keys字典，服务器可以清楚地知道哪些数据库键正在被监视，以及哪些客户端正在监视这些数据库键。

监视机制的触发

所有对数据库进行修改的命令，比如SET、LPUSH、SADD、ZREM、DEL、FLUSHDB等等，在执行之后都会调用multi.c/touchWatchKey函数对watched_keys字典进行检查，查看是否有客户端正在监视刚刚被命令修改过的数据库键，如果有的话，那么touchWatchKey函数会将监视被修改键的客户端的REDIS_DIRTY_CAS标识打开，表示该客户端的事务安全性已经被破坏。

判断事务是否安全

当服务器接收到一个客户端发来的EXEC命令时，服务器会根据这个客户端是否打开了REDIS_DIRTY_CAS标识来决定是否执行事务：

  • 如果客户端的REDIS_DIRTY_CAS标识已经被打开，那么说明客户端所监视的键当中，至少有一个键已经被修改过了，在这种情况下，客户端提交的事务已经不再安全，所以服务器会拒绝执行客户端提交的事务。
  • 如果客户端的REDIS_DIRTY_CAS标识没有被打开，那么说明客户端监视的所有键都没有被修改过（或者客户端没有监视任何键），事务仍然是安全的，服务器将执行客户端提交的这个事务。

3、事务的ACID性质

在Redis中，事务总是具有原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）和隔离性（Isolation），并且当Redis运行在某种特定的持久化模式下时，事务也具有耐久性（Durability）。

原子性

Redis的事务和传统的关系型数据库事务的最大区别在于，Redis不支持事务回滚机制（rollback），即使事务队列中的某个命令在执行期间出现了错误，整个事务也会继续执行下去，直到将事务队列中的所有命令都执行完毕为止。

Redis的作者在事务功能的文档中解释说，不支持事务回滚是因为这种复杂的功能和Redis追求简单高效的设计主旨不相符，并且他认为，Redis事务的执行时错误通常都是编程错误产生的，这种错误通常只会出现在开发环境中，而很少会在实际的生产环境中出现，所以他认为没有必要为Redis开发事务回滚功能。

一致性

事务具有一致性指的是，如果数据库在执行事务之前是一致的，那么在事务执行之后，无论事务是否执行成功，数据库也应该仍然是一致的。“一致”指的是数据符合数据库本身的定义和要求，没有包含非法或者无效的错误数据。

Redis通过谨慎的错误检测和简单的设计来保证事务的一致性，以下三个小节将分别介绍三个Redis事务可能出错的地方，并说明Redis是如何妥善地处理这些错误，从而确保事务的一致性的。

1.入队错误

如果一个事务在入队命令的过程中，出现了命令不存在，或者命令的格式不正确等情况，那么Redis将拒绝执行这个事务。

2.执行错误

除了入队时可能发生错误以外，事务还可能在执行的过程中发生错误。关于这种错误有两个需要说明的地方：

​ ❑执行过程中发生的错误都是一些不能在入队时被服务器发现的错误，这些错误只会在命令实际执行时被触发。

​ ❑即使在事务的执行过程中发生了错误，服务器也不会中断事务的执行，它会继续执行事务中余下的其他命令，并且已执行的命令（包括执行命令所产生的结果）不会被出错的命令影响。

对数据库键执行了错误类型的操作是事务执行期间最常见的错误之一。

3.服务器停机

如果Redis服务器在执行事务的过程中停机，那么根据服务器所使用的持久化模式，可能有以下情况出现：

​ ❑如果服务器运行在无持久化的内存模式下，那么重启之后的数据库将是空白的，因此数据总是一致的。

​ ❑如果服务器运行在RDB模式下，那么在事务中途停机不会导致不一致性，因为服务器可以根据现有的RDB文件来恢复数据，从而将数据库还原到一个一致的状态。如果找不到可供使用的RDB文件，那么重启之后的数据库将是空白的，而空白数据库总是一致的。

​ ❑如果服务器运行在AOF模式下，那么在事务中途停机不会导致不一致性，因为服务器可以根据现有的AOF文件来恢复数据，从而将数据库还原到一个一致的状态。如果找不到可供使用的AOF文件，那么重启之后的数据库将是空白的，而空白数据库总是一致的。

综上所述，无论Redis服务器运行在哪种持久化模式下，事务执行中途发生的停机都不会影响数据库的一致性。

隔离性

因为Redis使用单线程的方式来执行事务（以及事务队列中的命令），并且服务器保证，在执行事务期间不会对事务进行中断，因此，Redis的事务总是以串行的方式运行的，并且事务也总是具有隔离性的。

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