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关于Redis的ACID

news 来源：原创 2024/5/6 7:29:00

事务是一个数据库必备的元素，对于redis也不例外，对于一个传统的关系型数据库来说，数据库事务满足ACID四个特性：

  • A代表原子性：一个事务（transaction）中的所有操作，要么全部完成，要么全部不完成，不会结束在中间某个环节。事务在执行过程中发生错误，会被回滚（Rollback）到事务开始前的状态，就像这个事务从来没有执行过一样。
  • C代表一致性：事务应确保数据库的状态从一个一致状态转变为另一个一致状态。一致状态的含义是数据库中的数据应满足完整性约束
  • I代表隔离性：多个事务并发执行时，一个事务的执行不应影响其他事务的执行
  • D代表持久性：已被提交的事务对数据库的修改应该永久保存在数据库中

然而，对于redis来说，只满足其中的：

一致性和隔离性两个特性，其他特性是不支持的。

关于redis对ACID四个特性暂时先说这么多，在本文后面会详细说明。在详述之前，我们先来了解redis事务具体的使用和实现，这样我们接下来讨论ACID时才能更好的理解。

redis事务的使用

redis事务主要包括MULTI、EXEC、DISCARD和WATCH命令

MULTI命令

MULTI命令用来开启一个事务，当MULTI执行之后，客户端可以继续向服务器发送多条命令，这些命令会缓存在队列里面，只有当执行EXEC命令时，这些命令才会执行。

而DISCARD命令可以清空事务队列，放弃执行事务。

一个使用MULTI和EXEC执行事务的例子：

redis> MULTI
OK

redis> SET book-name "Mastering C++ in 21 days"
QUEUED

redis> GET book-name
QUEUED

redis> SADD tag "C++" "Programming" "Mastering Series"
QUEUED

redis> SMEMBERS tag
QUEUED

redis> EXEC
1) OK
2) "Mastering C++ in 21 days"
3) (integer) 3
4) 1) "Mastering Series"
   2) "C++"
   3) "Programming"

一个事务从开始到执行会经历以下三个阶段：

  1. 开始事务。
  2. 命令入队。
  3. 执行事务。

redis事务产生错误

使用redis事务可能会产生错误，主要分为两大类：

  • 事务在执行EXEC之前，入队的命令可能出错。
  • 命令可能在 EXEC 调用之后失败

redis在2.6.5之后，如果发现事务在执行EXEC之前出现错误，那么会放弃这个事务。

在EXEC命令之后产生的错误，会被忽略，其他正确的命令会被继续执行。

redis事务不支持回滚

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。

以下是这种做法的优点：

  • 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。

关于WATCH命令

WATCH命令可以添加监控的键，如果这些监控的键没有被其他客户端修改，那么事务可以顺利执行，如果被修改了，那么事务就不能执行。

redis> WATCH name
OK

redis> MULTI
OK

redis> SET name peter
QUEUED

redis> EXEC
(nil)

以下执行序列展示了上面的例子是如何失败的：

时间客户端 A客户端 B
T1WATCH name 
T2MULTI 
T3SET name peter 
T4 SET name john
T5EXEC 

在时间 T4 ，客户端 B 修改了 name 键的值， 当客户端 A 在 T5 执行 EXEC 时，Redis 会发现 name 这个被监视的键已经被修改， 因此客户端 A 的事务不会被执行，而是直接返回失败

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 REDIS_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 REDIS_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。

这里是伪代码

def check_safety_before_execute_trasaction():

    if client.state & REDIS_DIRTY_CAS:
        # 安全性已破坏，清除事务状态
        clear_transaction_state(client)
        # 清空事务队列
        clear_transaction_queue(client)
        # 返回空回复给客户端
        send_empty_reply(client)
    else:
        # 安全性完好，执行事务
        execute_transaction()

 

redis事务的实现

在了解了redis事务的使用之后，我们再来看看redis事务的实现，主要是对上面说的MULTI、EXEC、DISCARD和WATCH命令的源码的分析。

MULTI命令实现

void multiCommand(redisClient *c) {
    if (c->flags & REDIS_MULTI) {
        addReplyError(c,"MULTI calls can not be nested");
        return;
    }
    c->flags |= REDIS_MULTI;
    addReply(c,shared.ok);
}

从上面的源码可以看出，MULTI只能执行一次，而且就做一件事，把客户端的标志打上REDIS_MULTI。

EXEC命令实现

void execCommand(redisClient *c) {
    int j;
    robj **orig_argv;
    int orig_argc;
    struct redisCommand *orig_cmd;

    if (!(c->flags & REDIS_MULTI)) {
        addReplyError(c,"EXEC without MULTI");
        return;
    }

    /* Check if we need to abort the EXEC if some WATCHed key was touched.
    * A failed EXEC will return a multi bulk nil object. */
    if (c->flags & REDIS_DIRTY_CAS) {
        freeClientMultiState(c);
        initClientMultiState(c);
        c->flags &= ~(REDIS_MULTI|REDIS_DIRTY_CAS);
        unwatchAllKeys(c);
        addReply(c,shared.nullmultibulk);
        goto handle_monitor;
    }

    /* Replicate a MULTI request now that we are sure the block is executed.
    * This way we'll deliver the MULTI/..../EXEC block as a whole and
    * both the AOF and the replication link will have the same consistency
    * and atomicity guarantees. */
    execCommandReplicateMulti(c);

    /* Exec all the queued commands */
    unwatchAllKeys(c); /* Unwatch ASAP otherwise we'll waste CPU cycles */
    orig_argv = c->argv;
    orig_argc = c->argc;
    orig_cmd = c->cmd;
    addReplyMultiBulkLen(c,c->mstate.count);
    for (j = 0; j < c->mstate.count; j++) {
        c->argc = c->mstate.commands[j].argc;
        c->argv = c->mstate.commands[j].argv;
        c->cmd = c->mstate.commands[j].cmd;
        call(c,REDIS_CALL_FULL);

        /* Commands may alter argc/argv, restore mstate. */
        c->mstate.commands[j].argc = c->argc;
        c->mstate.commands[j].argv = c->argv;
        c->mstate.commands[j].cmd = c->cmd;
    }
    c->argv = orig_argv;
    c->argc = orig_argc;
    c->cmd = orig_cmd;
    freeClientMultiState(c);
    initClientMultiState(c);
    c->flags &= ~(REDIS_MULTI|REDIS_DIRTY_CAS);
    /* Make sure the EXEC command is always replicated / AOF, since we
    * always send the MULTI command (we can't know beforehand if the
    * next operations will contain at least a modification to the DB). */
    server.dirty++;

handle_monitor:
    /* Send EXEC to clients waiting data from MONITOR. We do it here
    * since the natural order of commands execution is actually:
    * MUTLI, EXEC, ... commands inside transaction ...
    * Instead EXEC is flagged as REDIS_CMD_SKIP_MONITOR in the command
    * table, and we do it here with correct ordering. */
    if (listLength(server.monitors) && !server.loading)
        replicationFeedMonitors(c,server.monitors,c->db->id,c->argv,c->argc);
}

其主要步骤是：

  • 检查是否已经是处在MULTI状态下，如果不是，直接返回
  • 检查WATCH的key是否已经被其他客户端修改，如果是，放弃事务
  • 执行事务命令队列里面的所有命令

执行命令队列里面的所有命令的代码如下：

for (j = 0; j < c->mstate.count; j++) {
    c->argc = c->mstate.commands[j].argc;
    c->argv = c->mstate.commands[j].argv;
    c->cmd = c->mstate.commands[j].cmd;
    call(c,REDIS_CALL_FULL);

     /* Commands may alter argc/argv, restore mstate. */
    c->mstate.commands[j].argc = c->argc;
    c->mstate.commands[j].argv = c->argv;
    c->mstate.commands[j].cmd = c->cmd;
}

遍历queue队列的所有命令，一条条的执行

DISCARD命令实现

DICARD命令主要由下面两个函数完成：

void discardCommand(redisClient *c) {
    if (!(c->flags & REDIS_MULTI)) {
        addReplyError(c,"DISCARD without MULTI");
        return;
    }
    discardTransaction(c);
    addReply(c,shared.ok);
}

void discardTransaction(redisClient *c) {
    freeClientMultiState(c);
    initClientMultiState(c);
    c->flags &= ~(REDIS_MULTI|REDIS_DIRTY_CAS);;
    unwatchAllKeys(c);
}

void freeClientMultiState(redisClient *c) {
    int j;

    for (j = 0; j < c->mstate.count; j++) {
        int i;
        multiCmd *mc = c->mstate.commands+j;

        for (i = 0; i < mc->argc; i++)
            decrRefCount(mc->argv[i]);
        zfree(mc->argv);
    }
    zfree(c->mstate.commands);
}

函数调用的关系如下

  discardCommand
       |
       |
       |
discardTransaction
       |
       |
       |
freeClientMultiState

freeClientMultiState就是完成DISCARD命令主要功能的函数，把其命令队列里面的所有命令所在的存储空间都释放。

WATCH命令

void watchForKey(redisClient *c, robj *key) {
    list *clients = NULL;
    listIter li;
    listNode *ln;
    watchedKey *wk;

    /* Check if we are already watching for this key */
    listRewind(c->watched_keys,&li);
    while((ln = listNext(&li))) {
        wk = listNodeValue(ln);
        if (wk->db == c->db && equalStringObjects(key,wk->key))
            return; /* Key already watched */
    }
    /* This key is not already watched in this DB. Let's add it */
    clients = dictFetchValue(c->db->watched_keys,key);
    if (!clients) { 
        clients = listCreate();
        dictAdd(c->db->watched_keys,key,clients);
        incrRefCount(key);
    }
    listAddNodeTail(clients,c);
    /* Add the new key to the lits of keys watched by this client */
    wk = zmalloc(sizeof(*wk));
    wk->key = key;
    wk->db = c->db;
    incrRefCount(key);
    listAddNodeTail(c->watched_keys,wk);
}

这个函数是在WATCH命令执行后，主要完成两件事情：

  • 把key添加到当前客户端c->watched_keys的链表中，
  • 并且把当前客户端添加到c->db->watched_keys的字典里面去。

当db中有能修改键状态的命令（比如INCR等）执行时，会自动把watch这个key的客户端的事务设置为放弃状态：

void touchWatchedKey(redisDb *db, robj *key) {
    list *clients;
    listIter li;
    listNode *ln;

    if (dictSize(db->watched_keys) == 0) return;
    clients = dictFetchValue(db->watched_keys, key);
    if (!clients) return;

    /* Mark all the clients watching this key as REDIS_DIRTY_CAS */
    /* Check if we are already watching for this key */
    listRewind(clients,&li);
    while((ln = listNext(&li))) {
        redisClient *c = listNodeValue(ln);

        c->flags |= REDIS_DIRTY_CAS;
    }
}

如上源码所示，当某个key被修改后，会遭到其字典中所在的hash链表，然后把链表中所有的客户端都设置成REDIS_DIRTY_CAS状态，即事务被DISCARD的状态。

redis事务的ACID性质讨论

A原子性

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

事务失败时，Redis 也不会进行任何的重试或者回滚动作，不满足要么全部全部执行，要么都不执行的条件

C一致性

一致性分下面几种情况来讨论：

首先，如果一个事务的指令全部被执行，那么数据库的状态是满足数据库完整性约束的

其次，如果一个事务中有的指令有错误，那么数据库的状态是满足数据完整性约束的

最后，如果事务运行到某条指令时，进程被kill掉了，那么要分下面几种情况讨论：

  • 如果当前redis采用的是内存模式，那么重启之后redis数据库是空的，那么满足一致性条件

  • 如果当前采用RDB模式存储的，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（snapshot），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

  • 如果当前采用的是AOF存储的，那么可能事务的内容还未写入到AOF文件，那么此时肯定是满足一致性的，如果事务的内容有部分写入到AOF文件中，那么需要用工具把AOF中事务执行部分成功的指令移除，这时，移除之后的AOF文件也是满足一致性的

所以，redis事务满足一致性约束

I隔离性

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。

D持久性

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。

来源：https://github.com/Charles0429/redis_doc/blob/master/function/redis_transaction.md

http://redisbook.readthedocs.org/en/latest/feature/transaction.html

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