Redis 事务支持 ACID 么?

·  阅读 943
Redis 事务支持 ACID 么?

腾讯面试官:「数据库事务机制了解么?」

「内心独白:小意思,不就 ACID 嘛,转眼一想,我面试的可是技术专家,不会这么简单的问题吧」

程许远:「balabala…… 极其自信且从容淡定的说了一通。」

腾讯面试官:「Redis 的事务了解么?它的事务机制能实现 ACID 属性么?」

程许远:「挠头,这个……我知道 lua 脚本能实现事务…」

腾讯面试官:「好的,回去等通知吧。」


码哥,我跟着你学习了 《Redis 系列》斩获了很多 offer,没想到最后败在了 「Redis 如何实现事务?」这个问题上。

我们来一步步分析:

  1. 什么是事务 ACID?
  2. Redis 如何实现事务?
  3. Redis 的事务能实现哪些属性?
  4. Lua 脚本实现。

什么是事务的 ACID

鬼吹灯之《云南虫谷》中的摸金校尉有句话叫「合则生,分则死」,为了寻找雮尘珠他们三人分工明确、齐心协力共进退方可成功。

事务(Transaction)是并发控制单位,一个操作序列组合而成,这些操作要么都执行,要么都不执行。

「是一个不可分割的工作单位」。

事务在执行时,会提供专门的属性保证:

  • 原子性(Atomicity):一个事务的多个操作必须完成,或者都不完成(ps:MySQL 的原子性靠什么实现呢?欢迎留言区评论);

  • 一致性(Consistency):事务执行结束后,数据库的完整性约束没有被破坏,事务执行的前后顺序都是合法数据状态。

    数据库的完整性约束包括但不限于:

    • 实体完整性(如行的主键存在且唯一);
    • 列完整性(如字段的类型、大小、长度要符合要求)
    • 外键约束;
    • 用户自定义完整性(如转账前后,两个账户余额的和应该不变)。
  • 隔离性(Isolation):事务内部的操作与其他事务是隔离的,并发执行的各个事务之间不能互相干扰。

    讲究的是不同事务之间的相互影响,严格的隔离性对应隔离级别中的可串行化(Serializable)。

  • 持久性(Durability):事务一旦提交,所有的修改将永久的保存到数据库中,即使系统崩溃重启后数据也不会丢失。

码哥,了解了 ACID 的具体要求后,Redis 是如何实现事务机制呢?

Redis 如何实现事务

MULTIEXECDISCARD WATCH 命令是 Redis 实现事务的的基础。

Redis 事务的执行过程包含三个步骤:

  1. 开启事务;
  2. 命令入队;
  3. 执行事务或丢弃;

显式开启一个事务

客户端通过 MULTI 命令显式地表示开启一个事务,随后的命令将排队缓存,并不会实际执行。

命令入队

客户端把事务中的要执行的一系列指令发送到服务端。

需要注意的是,虽然指令发送到服务端,但是 Redis 实例只是把这一系列指令暂存在一个命令队列中,并不会立刻执行。

执行事务或丢弃

客户端向服务端发送提交或者丢弃事务的命令,让 Redis 执行第二步中发送的具体指令或者清空队列命令,放弃执行。

Redis 只需在调用 EXEC 时,即可安排队列命令执行。

也可通过 DISCARD 丢弃第二步中保存在队列中的命令。

Redis 事务案例

通过在线调试网站执行我们的样例代码:try.redis.io

正常执行

通过 MULTIEXEC 执行一个事务过程:

# 开启事务
> MULTI
OK
# 开始定义一些列指令
> SET “公众号:码哥字节” "粉丝 100 万"
QUEUED
> SET "order" "30"
QUEUED
> SET "文章数" 666
QUEUED
> GET "文章数"
QUEUED
# 实际执行事务
> EXEC
1) OK
2) OK
3) OK
4) "666"
复制代码

我们看到每个读写指令执行后的返回结果都是 QUEUED,表示谢谢操作都被暂存到了命令队列,还没有实际执行。

当执行了 EXEC 命令,就可以看到具体每个指令的响应数据。

放弃事务

通过 MULTIDISCARD丢弃队列命令:

# 初始化订单数
> SET "order:mobile" 100
OK
# 开启事务
> MULTI
OK
# 订单 - 1
> DECR "order:mobile"
QUEUED
# 丢弃丢列命令
> DISCARD
OK
# 数据没有被修改
> GET "order:mobile"
"100"
复制代码

码哥,Redis 的事务能保证 ACID 特性么?

这个问题问得好,我们一起来分析下。

Redis 事务满足 ACID?

Redis 事务可以一次执行多个命令, 并且带有以下三个重要的保证:

  1. 批量指令在执行 EXEC 命令之前会放入队列暂存;
  2. 收到 EXEC 命令后进入事务执行,事务中任意命令执行失败,其余的命令依然被执行;
  3. 事务执行过程中,其他客户端提交的命令不会插入到当前命令执行的序列中。

原子性

码哥,如果事务执行过程中发生错误了,原子性能保证么?

在事务期间,可能遇到两种命令错误:

  • 在执行 EXEC 命令前,发送的指令本身就错误。如下:
    • 参数数量错误;
    • 命令名称错误,使用了不存在的命令;
    • 内存不足(Redis 实例使用 maxmemory指令配置内存限制)。
  • 在执行 EXEC 命令后,命令可能会失败。例如,命令和操作的数据类型不匹配(对 String 类型 的 value 执行了 List 列表操作);
  • 在执行事务的 EXEC 命令时。 Redis 实例发生了故障导致事务执行失败。

EXEC 执行前报错

在命令入队时,Redis 就会报错并且记录下这个错误

此时,我们还能继续提交命令操作

等到执行了 EXEC命令之后,Redis 就会拒绝执行所有提交的命令操作,返回事务失败的结果

这样一来,事务中的所有命令都不会再被执行了,保证了原子性。

如下是指令入队发生错误,导致事务失败的例子:

#开启事务
> MULTI
OK
#发送事务中的第一个操作,但是Redis不支持该命令,返回报错信息
127.0.0.1:6379> PUT order 6
(error) ERR unknown command `PUT`, with args beginning with: `order`, `6`,
#发送事务中的第二个操作,这个操作是正确的命令,Redis把该命令入队
> DECR b:stock
QUEUED
#实际执行事务,但是之前命令有错误,所以Redis拒绝执行
> EXEC
(error) EXECABORT Transaction discarded because of previous errors.
复制代码

EXEC 执行后报错

事务操作入队时,命令和操作的数据类型不匹配,但 Redis 实例没有检查出错误。

但是,在执行完 EXEC 命令以后,Redis 实际执行这些指令,就会报错。

敲黑板了:Redis 虽然会对错误指令报错,但是事务依然会把正确的命令执行完,这时候事务的原子性就无法保证了!

码哥,为什么 Redis 不支持回滚?

其实,Redis 中并没有提供回滚机制。虽然 Redis 提供了 DISCARD 命令。

但是,这个命令只能用来主动放弃事务执行,把暂存的命令队列清空,起不到回滚的效果。

EXEC 执行时,发生故障

如果 Redis 开启了 AOF 日志,那么,只会有部分的事务操作被记录到 AOF 日志中。

我们需要使用 redis-check-aof 工具检查 AOF 日志文件,这个工具可以把未完成的事务操作从 AOF 文件中去除。

这样一来,我们使用 AOF 恢复实例后,事务操作不会再被执行,从而保证了原子性。

简单总结

  • 命令入队时就报错,会放弃事务执行,保证原子性;
  • 命令入队时没报错,实际执行时报错,不保证原子性;
  • EXEC 命令执行时实例故障,如果开启了 AOF 日志,可以保证原子性。

一致性

一致性会受到错误命令、实例故障发生时机的影响,按照命令出错实例故障两个维度的发生时机,可以分三种情况分析。

EXEC 执行前,入队报错

事务会被放弃执行,所以可以保证一致性。

EXEC 执行后,实际执行时报错

有错误的执行不会执行,正确的指令可以正常执行,一致性可以保证。

EXEC 执行时,实例故障

实例故障后会进行重启,这就和数据恢复的方式有关了,我们要根据实例是否开启了 RDB 或 AOF 来分情况讨论下。

如果我们没有开启 RDB 或 AOF,那么,实例故障重启后,数据都没有了,数据库是一致的。

如果我们使用了 RDB 快照,因为 RDB 快照不会在事务执行时执行。

所以,事务命令操作的结果不会被保存到 RDB 快照中,使用 RDB 快照进行恢复时,数据库里的数据也是一致的。

如果我们使用了 AOF 日志,而事务操作还没有被记录到 AOF 日志时,实例就发生了故障,那么,使用 AOF 日志恢复的数据库数据是一致的。

如果只有部分操作被记录到了 AOF 日志,我们可以使用 redis-check-aof 清除事务中已经完成的操作,数据库恢复后也是一致的。

隔离性

事务执行又可以分成命令入队(EXEC 命令执行前)和命令实际执行(EXEC 命令执行后)两个阶段。

所以在并发执行的时候我们针对这两个阶段分两种情况分析:

  1. 并发操作在 EXEC 命令前执行,隔离性需要通过 WATCH 机制保证;
  2. 并发操作在 EXEC 命令之后,隔离性可以保证。

码哥,什么是 WATCH 机制?

我们重点来看第一种情况:一个事务的 EXEC 命令还没有执行时,事务的命令操作是暂存在命令队列中的。

此时,如果有其它的并发操作,同样的 key 被修改,需要看事务是否使用了 WATCH 机制。

WATCH 机制的作用是:在事务执行前,监控一个或多个键的值变化情况,当事务调用 EXEC 命令执行时,WATCH 机制会先检查监控的键是否被其它客户端修改了。

如果修改了,就放弃事务执行,避免事务的隔离性被破坏。

同时,客户端可以再次执行事务,此时,如果没有并发修改事务数据的操作了,事务就能正常执行,隔离性也得到了保证。

没有 WATCH

如果没有 WATCH 机制, 在 EXEC 命令执行前的并发操作对数据读写。

当执行 EXEC 的时候,事务内部要操作的数据已经改变,Redis 并没有做到事务之间的隔离。

并发操作在 EXEC 之后接收执行

至于第二种情况,因为 Redis 是用单线程执行命令,而且,EXEC 命令执行后,Redis 会保证先把命令队列中的所有命令执行完再执行之后的指令。

所以,在这种情况下,并发操作不会破坏事务的隔离性。

持久性

如果 Redis 没有使用 RDB 或 AOF,那么事务的持久化属性肯定得不到保证。

如果 Redis 使用了 RDB 模式,那么,在一个事务执行后,而下一次的 RDB 快照还未执行前,如果发生了实例宕机,数据丢失,这种情况下,事务修改的数据也是不能保证持久化的。

如果 Redis 采用了 AOF 模式,因为 AOF 模式的三种配置选项 no、everysec 和 always 都会存在数据丢失的情况。

所以,事务的持久性属性也还是得不到保证。

不管 Redis 采用什么持久化模式,事务的持久性属性是得不到保证的。

总结

  • Redis 具备了一定的原子性,但不支持回滚。
  • Redis 不具备 ACID 中一致性的概念。(或者说 Redis 在设计时就无视这点)
  • Redis 具备隔离性。
  • Redis 无法保证持久性。

Redis 的事务机制可以保证一致性和隔离性,但是无法保证持久性。

不过,因为 Redis 本身是内存数据库,持久性并不是一个必须的属性,我们更加关注的还是原子性、一致性和隔离性这三个属性。

原子性的情况比较复杂,当事务中使用的命令语法有误时,原子性得不到保证,在其它情况下,事务都可以原子性执行。

好文推荐

Redis 核心篇:为什么这么快

Redis 持久化篇:AOF 与 RDB 如何保证数据高可用

Redis 高可用篇:主从架构数据一致性同步原理

Redis 高可用篇:哨兵集群原理

Redis 高可用篇:Cluster 集群原理

Redis 实战篇:巧用 Bitmap 实现亿级海量数据统计

Redis 实战篇:通过 Geo 类型实现附近的人邂逅女神

Redis 新特性篇:多线程模型解读

Redis 6.0 新特性篇:客户端缓存带来的革命

分类:
后端
标签:
分类:
后端
标签: