【Redis学习】Transaction事务管理

本是古典何须时尚 2022-08-21 08:55 188阅读 0赞

### **1、相关命令：** ###

#### **(1)MULTI** ####

标记一个事务块的开始。事务块内的多条命令会按照先后顺序被放进一个队列当中，最后由 EXEC 命令原子性(atomic)地执行。

返回值：总是返回 OK 。

redis> MULTI            # 标记事务开始
    OK
    
    redis> INCR user_id     # 多条命令按顺序入队
    QUEUED
    
    redis> INCR user_id
    QUEUED
    
    redis> INCR user_id
    QUEUED
    
    redis> PING
    QUEUED
    
    redis> EXEC             # 执行
    1) (integer) 1
    2) (integer) 2
    3) (integer) 3
    4) PONG

#### **(2)EXEC** ####

执行所有事务块内的命令。假如某个(或某些) key 正处于 WATCH 命令的监视之下，且事务块中有和这个(或这些) key 相关的命令，那么 EXEC 命令只在这个(或这些) key 没有被其他命令所改动的情况下执行并生效，否则该事务被打断(abort)。

返回值：事务块内所有命令的返回值，按命令执行的先后顺序排列。当操作被打断时，返回空值 nil 。

#### **(3)DISCARD** ####

取消事务，放弃执行事务块内的所有命令。如果正在使用 WATCH 命令监视某个(或某些) key，那么取消所有监视，等同于执行命令 UNWATCH 。

返回值：总是返回 OK 。

redis> MULTI
    OK
    
    redis> PING
    QUEUED
    
    redis> SET greeting "hello"
    QUEUED
    
    redis> DISCARD
    OK

**(4)WATCH**

WATCH key \[key …\]

监视一个(或多个) key ，如果在事务执行之前这个(或这些) key 被其他命令所改动，那么事务将被打断。

返回值：总是返回 OK 。

redis> WATCH lock lock_times
    OK

#### **(5)UNWATCH** ####

取消 WATCH 命令对所有 key 的监视。如果在执行 WATCH 命令之后， EXEC 命令或 DISCARD 命令先被执行了的话，那么就不需要再执行 UNWATCH 了。因为 EXEC 命令会执行事务，因此 WATCH 命令的效果已经产生了；而 DISCARD 命令在取消事务的同时也会取消所有对 key 的监视，因此这两个命令执行之后，就没有必要执行 UNWATCH 了。

返回值：总是 OK 。

redis> WATCH lock lock_times
    OK
    
    redis> UNWATCH
    OK

**使用实例**：

# 事务被成功执行
    
    redis> MULTI
    OK
    
    redis> INCR user_id
    QUEUED
    
    redis> INCR user_id
    QUEUED
    
    redis> INCR user_id
    QUEUED
    
    redis> PING
    QUEUED
    
    redis> EXEC
    1) (integer) 1
    2) (integer) 2
    3) (integer) 3
    4) PONG
    
    
    # 监视 key ，且事务成功执行
    
    redis> WATCH lock lock_times
    OK
    
    redis> MULTI
    OK
    
    redis> SET lock "huangz"
    QUEUED
    
    redis> INCR lock_times
    QUEUED
    
    redis> EXEC
    1) OK
    2) (integer) 1
    
    
    # 监视 key ，且事务被打断
    
    redis> WATCH lock lock_times
    OK
    
    redis> MULTI
    OK
    
    redis> SET lock "joe"        # 就在这时，另一个客户端修改了 lock_times 的值
    QUEUED
    
    redis> INCR lock_times
    QUEUED
    
    redis> EXEC                  # 因为 lock_times 被修改， joe 的事务执行失败
    (nil)

### **2、事务的执行过程**： ###

一个事务的执行过程分四步：开始事务→命令入队→命令执行→取消事务。

#### **(1)开始事务** ####

MULTI命令的执行标志着事务的开始。当客户端处于非事务状态下时， 所有发送给服务器端的命令都会立即被服务器执行。  
Redis 的事务不可嵌套， 当客户端已经处于事务状态， 而客户端又再向服务器发送 MULTI 时， 服务器只是简单地向客户端发送一个错误， 然后继续等待其他命令的入队。MULTI 命令的发送不会造成整个事务失败， 也不会修改事务队列中已有的数据。

#### **(2)命令入队** ####

当客户端进入事务状态之后， 服务器在收到来自客户端的命令时，不会立即执行命令， 而是将这些命令全部放进一个事务队列里， 然后返回 QUEUED ， 表示命令已入队：

> 事务队列是一个数组，每个数组项都包含三个属性：
> 
> a.要执行的命令(cmd)  
> b. 命令的参数(argv)  
> c. 参数的个数(argc)

#### **(3)命令执行** ####

如果客户端正处于事务状态， 那么当 EXEC 命令执行时， 服务器根据客户端所保存的事务队列， 以先进先出（FIFO）的方式执行事务队列中的命令：最先入队的命令最先执行， 而最后入队的命令最后执行。  
当事务队列中的所有命令被执行完之后，EXEC命令会将回复队列作为自己的执行结果返回给客户端，客户端从事务状态返回到非事务状态。至此，事务执行完毕。

#### **(4)取消事务** ####

DISCARD 命令用于取消一个事务，它清空客户端的整个事务队列，然后将客户端从事务状态调整回非事务状态，最后返回字符串 OK 给客户端，说明事务已被取消。

> 事务命令与非事务命令：
> 
> 无论在事务状态下， 还是在非事务状态下， Redis 命令都由同一个函数执行， 所以它们共享很多服务器的一般设置， 比如 AOF 的配置、RDB 的配置，以及内存限制，等等。  
> 事务中的命令和普通命令在执行上还是有一点区别的，其中最重要的两点是：
> 
> （1）非事务状态下的命令以单个命令为单位执行，前一个命令和后一个命令的客户端不一定是同一个；而事务状态则是以一个事务为单位，执行事务队列中的所有命令，除非当前事务执行完毕，否则服务器不会中断事务，也不会执行其他客户端的其他命令。
> 
> （2）在非事务状态下，执行命令所得的结果会立即被返回给客户端；而事务则是将所有命令的结果集合到回复队列，再作为 EXEC 命令的结果返回给客户端。

### **3、事务内部的错误** ###

在一个事务的运行期间，可能会遇到两种类型的命令错误：

> （1） 一个命令可能会**在被放入队列时失败**。因此，事务有可能在调用EXEC命令之前就发生错误。
> 
> 例如，这个命令可能会有语法错误（参数的数量错误、命令名称错误，等等），或者可能会有某些临界条件（例如：如果使用maxmemory指令，为Redis服务器配置内存限制，那么就可能会有内存溢出条件）。
> 
> （2）在**调用EXEC命令之后**，事务中的某个命令可能会执行失败。
> 
> 例如，我们对某个键执行了错误类型的操作（例如，对一个字符串（String）类型的键执行列表（List）类型的操作）。

可以使用Redis客户端检测第一种类型的错误，在调用EXEC命令之前，这些客户端可以检查被放入队列的命令的返回值：如果命令的返回值是QUEUE字符串，那么就表示已经正确地将这个命令放入队列；否则，Redis将返回一个错误。如果将某个命令放入队列时发生错误，那么大多数客户端将会中止事务，并且丢弃这个事务。

在Redis 2.6.5版本之前，如果发生了上述的错误，那么在客户端调用了EXEC命令之后，Redis还是会运行这个出错的事务，执行已经成功放入事务队列的命令，而不会关心先前发生的错误。

然而，从Redis 2.6.5版本开始，**服务器会记住事务积累命令期间发生的错误。然后，Redis会拒绝执行这个事务，在运行EXEC命令之后，便会返回一个错误消息。最后，Redis会自动丢弃这个事务**。这样便能轻松地混合使用事务和管道。在这种情况下，客户端可以一次性地将整个事务发送至Redis服务器，稍后再一次性地读取所有的返回值。

相反，在调用EXEC命令之后发生的事务错误，Redis不会进行任何特殊处理：**在事务运行期间，即使某个命令运行失败，所有其他的命令也将会继续执行**。

这种行为在协议层面上更加清晰。在以下示例中，当事务正在运行时，有一条命令将会执行失败，即使这条命令的语法是正确的：

![这里写图片描述][SouthEast]

上述示例的EXEC命令的返回值是批量的字符串，包含两个元素，一个是OK代码，另一个是-ERR错误消息。客户端会根据自身的程序库，选择一种合适的方式，将错误信息提供给用户。

需要注意的是，即使某个命令执行失败，事务队列中的所有其他命令仍然会执行 —— Redis不会停止执行事务中的命令。

再看另一个示例，再次使用telnet通信协议，观察命令的语法错误是如何尽快报告给用户的：

![这里写图片描述][SouthEast 1]

这一次，由于INCR命令的语法错误，Redis根本就没有将这个命令放入事务队列。

### **4、为什么Redis不支持回滚** ###

如果你具备关系型数据库的知识背景，你就会发现一个事实：在事务运行期间，虽然Redis命令可能会执行失败，但是Redis仍然会执行事务中余下的其他命令，而不会执行回滚操作，你可能会觉得这种行为很奇怪。

然而，这种行为也有其合理之处：

> 只有当被调用的Redis命令有语法错误时，这条命令才会执行失败（在将这个命令放入事务队列期间，Redis能够发现此类问题），或者对某个键执行不符合其数据类型的操作：实际上，这就意味着只有程序错误才会导致Redis命令执行失败，这种错误很有可能在程序开发期间发现，一般很少在生产环境发现。
> 
> Redis已经在系统内部进行功能简化，这样可以确保更快的运行速度，因为Redis不需要事务回滚的能力。

对于Redis事务的这种行为，有一个普遍的反对观点，那就是程序有可能会有缺陷（bug）。但是，你应当注意到：**事务回滚并不能解决任何程序错误**。

例如，如果某个查询会将一个键的值递增2，而不是1，或者递增错误的键，那么事务回滚机制是没有办法解决这些程序问题的。请注意，没有人能解决程序员自己的错误，这种错误可能会导致Redis命令执行失败。正因为这些程序错误不大可能会进入生产环境，所以我们在开发Redis时选用更加简单和快速的方法，没有实现错误回滚的功能。

### **5、通过CAS实现操作乐观锁** ###

在redis事务中，WATCH命令可用于提供CAS(check-nd-set)功能。WATCH命令可以监控一个或多个键，一旦其中有一个键被修改(或删除)，之后的事务就不会执行。假设我们通过WATCH命令在事务执行之前监控了一个key，之后如果这个key的值有任何的变化，后面EXEC命令执行的事务都将被放弃，同时返回null muti-bulk应答来通知调用者事务执行失败。

val = GET mykey
    val = val + 1
    SET mykey $val

以上实现只有在单连接的时候能保证结果正确。如果同一时刻有多个客户端同时执行该段代码就会出现竞态争用(race condition)的的场景。比如，客户端A和B都在同一时刻读取了mykey的原有值，假设该值为10，此后两个客户端又均将该值加一后set回Redis服务器，这样就会导致mykey的结果为11，而不是我们认为的12。

这时WATCH命令就派上用场了：如果我们能保证在GET获得键值后该键值不被其他客户端修改，直到事务执行完成后才允许其他客户端进行修改，这样可以有效的防止竞态条件。

WATCH mykey
    val = GET mykey
    val = val + 1
    MULTI
    SET mykey $val
    EXEC

在获取mykey的值之前，先用WATCH命令对其进行了监控，之后将修改mykey的SET命令放在了事务里面，这样就可以有效的保证如果当前连接获取的mykey被其他连接修改的话，当前连接的EXEC命令将会执行失败。这样调用者根据返回值就能判断val是否被重置成功。

### **6、WATCH命令详解** ###

WATCH命令使得EXEC命令在满足某些条件时才会运行事务：只有redis在所有受监控的键都没有被修改的时候才会执行事务，否则，redis根本不会进入事务。

WATCH命令可以被调用多次。简单的来说，所有的WATCH命令都会在被调用的时候立刻对自己监控的所有的键进行监控，直到EXEC命令被调用。

当调用EXEC命令时，所有的键都会变成未受监控的状态，redis不会管事务是否被终止。当一个客户端连接被关闭时，所有的键也都会变成未受监控的状态。

你还可以使用UNWATCH命令（不需要任何参数），这样便能清除所有的受监控键。当我们对某些键施加乐观锁之后，这个命令有时会非常有用。因为，我们可能需要运行一个用来修改这些键的事务，但是在读取这些键的当前内容之后，我们可能不打算继续进行操作，此时便可以使用UNWATCH命令，清除所有受监控的键。在运行UNWATCH命令之后，Redis连接便可以再次自由地用于运行新事务。

我们来看下面一个例子：

def hsetxx($key, $field, $value)
    
        WATCH $key
    
        $isFieldExists = HEXISTS $key, $field
    
        if $isFieldExists is 1
    
              MULTI
    
              HSET $key, $field, $value
    
              EXEC
    
        else
    
              UNWATCH
    
        return $isFieldExists

在代码中会判断要赋值的字段是否存在，如果字段不存在的话就不执行事务中的命令，但**需要使用UNWATCH命令来保证下一个事务的执行不会受到影响**。

在每个代表数据库的**Redis.h/RedisDb**结构类型中，保存了一个 **watched\_keys** 字典，字典的键是这个数据库被监视的键，而字典的值则是一个链表，链表中保存了所有监视这个键的客户端。

### **7、使用 WATCH 实现 ZPOP** ###

**WATCH 可以用于创建 Redis 没有内置的原子操作**。

举个例子， 以下代码实现了原创的 ZPOP 命令， 它可以原子地弹出有序集合中分值（score）最小的元素：

WATCH zset
    element = ZRANGE zset 0 0
    MULTI
        ZREM zset element
    EXEC

程序只要重复执行这段代码， 直到 EXEC 的返回值不是空多条回复（null multi-bulk reply）即可。

### **8、ACID性质** ###

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：原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolation）、持久性（Durability）  
Redis 事务保证了其中的一致性和隔离性，但并不保证原子性和持久性。

#### **8.1原子性（Atomicity）** ####

单个 Redis 命令的执行是原子性的，但Redis 没有在事务上增加任何维持原子性的机制，所以 Redis 事务的执行并不是原子性的。  
如果一个事务队列中的所有命令都被成功地执行，那么称这个事务执行成功。

另一方面，如果 Redis 服务器进程在执行事务的过程中被停止 —— 比如接到 KILL 信号、宿主机器停机，等等，那么事务执行失败。  
当事务失败时，Redis 也不会进行任何的重试或者回滚动作。

#### **8.2一致性（Consistency）** ####

Redis 的一致性问题可以分为三部分来讨论：**入队错误、执行错误、Redis 进程被终结**。

**（1）入队错误**

在命令入队的过程中，如果客户端向服务器发送了错误的命令，比如命令的参数数量不对，等等，服务器将向客户端返回一个出错信息，并且将客户端的事务状态设为REDIS\_DIRTY\_EXEC 。

当客户端执行 EXEC 命令时，Redis 会拒绝执行状态为 REDIS\_DIRTY\_EXEC 的事务，并返回失败信息。

因此，带有不正确入队命令的事务不会被执行，也不会影响数据库的一致性。

**（2）执行错误**

如果命令在事务执行的过程中发生错误，比如说对一个不同类型的 key 执行了错误的操作，那么 Redis 只会将错误包含在事务的结果中，这不会引起事务中断或整个失败，不会影响已执行事务命令的结果，也不会影响后面要执行的事务命令，所以它对事务的一致性也没有影响。

**（3）Redis 进程被终结**

如果 Redis 服务器进程在执行事务的过程中被其他进程终结，或者被管理员强制杀死，那么根据Redis 所使用的持久化模式，可能有以下情况出现：

**内存模式**：如果 Redis 没有采取任何持久化机制，那么重启之后的数据库总是空白的，所以数据总是一致的。

**RDB 模式**：在执行事务时，Redis 不会中断事务去执行保存 RDB 的工作，只有在事务执行之后，保存 RDB 的工作才有可能开始。所以当 RDB 模式下的 Redis 服务器进程在事务中途被杀死时，事务内执行的命令，不管成功了多少，都不会被保存到 RDB 文件里。恢复数据库需要使用现有的 RDB 文件，而这个 RDB 文件的数据保存的是最近一次的数据库快照，所以它的数据可能不是最新的，但只要RDB 文件本身没有因为其他问题而出错，那么还原后的数据库就是一致的。

**AOF 模式**：因为保存 AOF 文件的工作在后台线程进行，所以即使是在事务执行的中途，保存 AOF 文件的工作也可以继续进行，因此，根据事务语句是否被写入并保存到 AOF 文件，有以下两种情况发生：

> 1）如果事务语句未写入到 AOF 文件，或 AOF 未被SYNC 调用保存到磁盘，那么当进程被杀死之后，Redis 可以根据最近一次成功保存到磁盘的 AOF 文件来还原数据库，只要 AOF 文件本身没有因为其他问题而出错，那么还原后的数据库总是一致的，但其中的数据不一定是最新的。
> 
> 2）如果事务的部分语句被写入到 AOF 文件，并且 AOF 文件被成功保存，那么不完整的事务执行信息就会遗留在 AOF 文件里，当重启 Redis 时，程序会检测到 AOF 文件并不完整，Redis 会退出，并报告错误。需要使用 Redis-check-aof 工具将部分成功的事务命令移除之后，才能再次启动服务器。还原之后的数据总是一致的，而且数据也是最新的（直到事务执行之前为止）。

#### **8.3隔离性（Isolation）** ####

Redis 是单进程程序，并且它保证在执行事务时，不会对事务进行中断，事务可以运行直到执行完所有事务队列中的命令为止。因此，Redis 的事务是总是带有隔离性的。

#### **8.4持久性（Durability）** ####

因为事务不过是用队列包裹起了一组 Redis 命令，并没有提供任何额外的持久性功能，所以事务的持久性由 Redis 所使用的持久化模式决定：  
在单纯的内存模式下，事务肯定是不持久的。

在 RDB 模式下，服务器可能在事务执行之后、RDB 文件更新之前的这段时间失败，所以 RDB 模式下的 Redis 事务也是不持久的。

在 AOF 的“总是 SYNC ”模式下，事务的每条命令在执行成功之后，都会立即调用 fsync 或 fdatasync 将事务数据写入到 AOF 文件。但是，这种保存是由后台线程进行的，主线程不会阻塞直到保存成功，所以从命令执行成功到数据保存到硬盘之间，还是有一段非常小的间隔，所以这种模式下的事务也是不持久的。

其他 AOF 模式也和“总是 SYNC ”模式类似，所以它们都是不持久的。

Redis 脚本和事务  
从定义上来说， Redis 中的脚本本身就是一种事务， 所以任何在事务里可以完成的事， 在脚本里面也能完成。 并且一般来说， 使用脚本要来得更简单，并且速度更快。

因为脚本功能是 Redis 2.6 才引入的， 而事务功能则更早之前就存在了， 所以 Redis 才会同时存在两种处理事务的方法。

不过我们并不打算在短时间内就移除事务功能， 因为事务提供了一种即使不使用脚本， 也可以避免竞争条件的方法， 而且事务本身的实现并不复杂。

不过在不远的将来， 可能所有用户都会只使用脚本来实现事务也说不定。 如果真的发生这种情况的话， 那么我们将废弃并最终移除事务功能。

### **9、Redis 脚本和事务** ###

从定义上来说， Redis 中的脚本本身就是一种事务， 所以任何在事务里可以完成的事， 在脚本里面也能完成。 并且一般来说， 使用脚本要来得更简单，并且速度更快。

因为脚本功能是 Redis 2.6 才引入的， 而事务功能则更早之前就存在了， 所以 Redis 才会同时存在两种处理事务的方法。

不过我们并不打算在短时间内就移除事务功能， 因为事务提供了一种即使不使用脚本， 也可以避免竞争条件的方法， 而且事务本身的实现并不复杂。

不过在不远的将来， 可能所有用户都会只使用脚本来实现事务也说不定。 如果真的发生这种情况的话， 那么我们将废弃并最终移除事务功能。

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