Redis系列之事务

概述

Redis事务提供一种将多个命令打包，然后一次性、按顺序地执行的机制，在事务执行的期间不会主动中断，服务器在执行完事务中的所有命令之后，才会继续处理其他客户端的其他命令。

三个重要的保证：

批量操作在发送EXEC命令前被放入队列缓存
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
在事务执行过程，其他客户端提交的命令请求不会插入到事务执行命令序列中

Redis中的事务是一组命令的集合，事务也是Redis最小的执行单位，一个事务中的命令要么都执行，要么都不执行。

Redis事务由5个命令来实现：

MULTI：标记一个事务块的开始。开启Redis事务，置客户端为事务态
EXEC：提交事务，执行从MULTI到此命令前的命令队列，置客户端为非事务态
DISCARD：取消事务，置客户端为非事务态
WATCH：监视键值对，作用时如果事务提交EXEC时发现监视的监视对发生变化，事务将被取消
UNWATCH：取消WATCH命令对所有Key的监视

事务从开始到执行会经历以下三个阶段：

开始事务
命令入队
执行事务

MULTI标记事务的开始，将客户端状态的flags属性的REDIS_MULTI选项打开，让客户端从非事务状态切换到事务状态。

命令入队

Redis客户端处理非事务状态时，命令会立即被服务端执行。但是事务状态下，如果客户端发送的命令是上面四个命令其一，则服务器立即执行；除此之外，服务器并不立即执行命令，而是将命令放入事务队列里面，向客户端返回QUEUED回复。
在这里插入图片描述

WATCH

Redis使用WATCH命令监视给定的Key，当EXEC时如果监视的Key从调用WATCH后发生过变化，则整个事务会失败。也可以调用WATCH多次监视多个Key，这样就可以对指定的Key加乐观锁。注意WATCH的Key是对整个连接有效的，事务也一样。如果连接断开，监视和事务都会被自动清除。当然EXEC，DISCARD，UNWATCH命令都会清除连接中的所有监视。

实战

本文使用的Redis版本为Windows下7.4.0版本。

empty array

执行MULTI命令后没有其他命令，直接输入EXEC命令，不报错：

127.0.0.1:6379> multi
OK
127.0.0.1:6379(TX)> exec
(empty array)

WATCH

可用于实现类似于乐观锁效果，即CAS，compare and set。

WATCH用于监视Key是否被改动过，支持同时监视多个Key，只要还没真正触发事务，WATCH都会尽职尽责的监视。当多个线程更新同一个Key值时，会跟原值做比较，一旦发现它被修改过，则拒绝执行命令，执行EXEC时就会返回nil，表示事务无法触发。

双击redis-cli.exe打开一个命令行窗口，依次执行如下命令：

127.0.0.1:6379> watch age
OK
127.0.0.1:6379> multi
OK
127.0.0.1:6379(TX)> set age 31
QUEUED

双击redis-cli.exe打开另一个命令行窗口，执行如下命令：

127.0.0.1:6379> set age 32
OK

回到第一个窗口（客户端），提交EXEC命令：

127.0.0.1:6379(TX)> exec
(nil)

命令返回(nil)，表示事务无法触发。因为另外一个客户端通过set命令更新过Key。

哪怕是值不变，有过set key动作就会更新更新时间戳字段（猜测），和MVCC机制比较类似，Redis源码待调研。

客户端一执行：

127.0.0.1:6379> set age 11
OK
127.0.0.1:6379> watch age
OK
127.0.0.1:6379> multi
OK
127.0.0.1:6379(TX)> set age 12
QUEUED

客户端二执行：

127.0.0.1:6379> get age
"11" # 在客户端一执行set后，可get获取
127.0.0.1:6379> set age 11
OK # 在客户端一执行watch后，尝试set更新到相同的年龄

客户端一执行：

127.0.0.1:6379(TX)> exec
(nil)

执行结果也是(nil)。

事务错误

两类错误：

调用EXEC之前的错误
调用EXEC之后的错误

EXEC执行前出错：如语法有误，内存不足导致。只要出现某个命令无法成功写入缓冲队列的情况，Redis都会进行记录，在客户端调用EXEC时，Redis会拒绝执行这一事务。

127.0.0.1:6379> multi
OK
127.0.0.1:6379(TX)> he
(error) ERR unknown command 'he', with args beginning with:
127.0.0.1:6379(TX)> set he he
QUEUED
127.0.0.1:6379(TX)> exec
(error) EXECABORT Transaction discarded because of previous errors.

EXEC执行后出错：Redis不会理睬这些错误，而是继续向下执行事务中的其他命令。对于应用层面的错误，并不是Redis需要考虑和处理的问题，所以事务中如果某一条命令执行失败，并不会影响接下来的其他命令的执行。

127.0.0.1:6379> multi
OK
127.0.0.1:6379(TX)> set age 34
QUEUED
127.0.0.1:6379(TX)> sadd age 35
QUEUED
127.0.0.1:6379(TX)> set age 35
QUEUED
127.0.0.1:6379(TX)> exec
1) OK
2) (error) WRONGTYPE Operation against a key holding the wrong kind of value
3) OK
(0.53s)
127.0.0.1:6379> get age
"35"

这里可以得出一个很重要的结论：在执行事务时某个命令执行失败，并不会影响其他命令的执行，即Redis 的事务并不会回滚。

Lua集成

Lua脚本集成，参考Redis系列之Lua脚本整合。

ACID

传统事务四个核心特性，即ACID。为了保持简单，Redis事务保证其中的一致性和隔离性；不满足原子性和持久性；

原子性

在执行事务命令时，在命令入队时，Redis检测事务里的命令是否正确，即是否有语法错误，如果不正确则会产生错误。事务里的命令是批量提交执行的，也就是命令还没执行，当然也就不存在回滚一说；

当命令格式正确，而因为操作数据结构引起的错误，则该命令执行时才会出现错误，而其之前和之后的命令都会被正常执行。

参考You Don’t Need Transaction Rollbacks in Redis，以及Redis Transactions：

Redis does not support rollbacks of transactions since supporting rollbacks would have a significant impact on the simplicity and performance of Redis.

翻译：支持回滚会对 Redis 的简单性和性能产生重大影响。

一致性

一致性指的就是事务执行前后的数据符合数据库的定义和要求。

Redis符合要求，不论是发生语法错误还是运行时错误，错误的命令均不会被执行。

隔离性

多个事务并发执行，各个事务之间不会互相影响。原因：Redis事务不会中断，且是单线程执行事务。

持久性

对于事务的执行来说，如果Redis开启AOF持久化，那么一旦事务被成功执行，事务中的命令就会通过write命令一次性写到磁盘中去，如果在向磁盘中写的过程中恰好出现断电、硬件故障等问题，可能出现只有部分命令进行AOF持久化，这时AOF文件就会出现不完整的情况，这时可使用redis-check-aof工具将AOF文件中不完整的信息移除，确保AOF文件完整可用。

原理

Redis中每个客户端都有记录当前客户端的事务状态multiState，客户端client定义，在server.h源码里：

typedef struct client {
	uint64_t id; // 客户端唯一id
	multiState mstate; // MULTI和EXEC状态(即事务状态)
	// 省略其他属性
} client;

multiState定义如下：

typedef struct multiState {
	multiCmd *commands; // 存储命令的FIFO队列
	int count; // 命令总数
	// 省略其他属性
} multiState;

multiCmd是一个队列，用来接收并存储开启事务之后发送的命令，定义如下：

typedef struct multiCmd {
	robj **argv; // 用来存储参数的数组
	int argv_len; // 数组长度
	int argc; // 参数的数量
	struct redisCommand *cmd; // 命令指针
} multiCmd;

类结构图：
在这里插入图片描述

拓展

Redis事务在真实业务场景中的应用

批量操作：如果你需要对多个键进行原子性修改，Redis事务可以确保这些操作在没有被中断的情况下执行。例如，批量更新用户积分、库存等；
乐观锁场景：在高并发环境下，使用WATCH可以监控某些关键键的变化，防止并发修改带来的数据不一致问题；
复杂多键操作：在需要对多个键进行依赖性操作时，比如从一个账户扣款同时向另一个账户转账，Redis事务可以确保这类操作的完整性。

局限性：

缺乏回滚机制：如果事务中的某个命令执行失败，Redis不会回滚已经执行的命令，这在某些需要严格数据一致性的场景中是个问题；
命令执行顺序无法调整：事务中的命令执行顺序是固定的，无法在运行时调整，如果某些条件改变，无法动态改变执行顺序；
性能开销：由于事务的执行需要在内存中排队，如果队列中的命令较多，可能导致阻塞和性能问题。

参考

Redis事务
Redis事务