《Redis設計與實現》讀書筆記（三十二） ——Redis事務設計與實現

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一、概述

redis的事務同資料庫的事務概念一樣，即多條命令都成功執行，才會生效，否則不生效。redis客戶端中輸入multi命令，然後中間的所有命令都不會立即生效，直到再輸入exec命令。

二、redis事務實現

redis事務實現包括事務開始、事務入隊、事務執行。

1、事務開始

當客戶端輸入multi命令，表示事務開始。該命令會將redis從非事務狀態切換到事務狀態，切換是通過修改客戶端的flags屬性，加上REDIS_MULTI常量，表示開啟事務。

2、命令入隊

當redis開啟事務狀態，只有4個命令會立即執行：multi、discard、exec、watch。其他命令都不立即執行，而是放入redis的事務佇列，並且客戶端回覆queue。

每個redis客戶端都有一個事務狀態屬性，儲存在redisClient結構體的屬性mstate中，該屬性是multiState結構體，如下：

typedef struct multistate{
         multiCmd *commands;
         int count;
} multistate;

該結構體包含命令列表以及命令計數器，命令佇列是FIFO的順序，count記錄已經入隊的命令個數。其中，命令佇列是multiCmd結構體型別的陣列，結構體如下：

typedef struct multiCmd{
         robj **argv;
         int argc;
         struct redisCommand*cmd;
} multiCmd;

即，該結構體包含命令引數、引數個數以及指向實現命令的redisCommand結構體的指標。

3、執行事務

當處於事務狀態的客戶端收到命令exec，則會執行事務佇列中的所有命令，並將結果按照執行順序，全部返回給客戶端。

執行過程包括：

1）建立空白佇列，用於儲存每個命令的執行結果；

2）按照FIFO的順序執行命令佇列的命令，並將結果按順序放入空白佇列；

3）移除flags屬性的REDIS_MULTI標記，表示客戶端退出事務；

4）清除入隊命令計數器、釋放事務佇列；

5）將執行結果返回給客戶端。

三、Watch命令實現

watch命令是一個樂觀鎖，可以在執行exec之前，監視任意數量資料庫的鍵，並在執行exec時，檢查監視的鍵是否有被修改的，如果有一個或以上的鍵被修改，則拒絕執行事務，客戶端返回事務執行失敗的空回覆（nil）。

1、watch監視

通過watch key1 key2… 即可監視鍵。

redis資料庫結構體redisDB中，儲存著watched_keys字典，字典的鍵是被watch命令監視的鍵，值是一個連結串列，記錄所有監視相應資料庫鍵的客戶端。

通過該字典，可以清楚判斷哪些鍵被監視，以及哪些客戶端監視這些鍵。

2、監視觸發

所有對資料庫的鍵進行修改的命令，如set、lpush等，執行後都會自動呼叫multi.c/touchWatchKey函式，對字典watched_keys進行檢查，檢視是否有資料庫監視該鍵。

如果有資料庫監視該鍵，則將監視被修改鍵的所有客戶端的狀態REDIS_DIRTY_CAS標識開啟，表示該客戶端事務的安全性已經被破壞。

3、判斷事務是否安全

當客戶端執行exec命令時，就會判斷對應自身客戶端的狀態是否被開啟REDIS_DIRTY_CAS，如果被開啟，說明至少一個鍵被修改，則事務不安全，redis伺服器拒絕客戶端提交事務，並返回nil；如果沒有被開啟，表示事務安全，正常執行事務。

四、事務ACID性質

ACID分別表示Atomicity（原子性）、Consistency（一致性）、Isolation（隔離性）、（Durability）耐久性。redis的事務總是會保證ACI三個屬性，在開啟某些持久化方式後，也可以保證D的屬性。

1、原子性

事務原子性指要麼事務全部操作都執行，要麼全部不執行。

例如redis的命令錯誤等，在命令入隊的時候就會進行校驗，如果有命令錯誤，則入隊的時候會報錯，等到執行exec時，redis則拒絕執行整個事務。

與很多關係型資料庫不同，redis不支援事務的回滾，因為redis的作者認為事務出錯只有在開發環境中會有，生產環境沒有。而回滾會導致redis程式碼複雜，與設計初衷不符。

2、一致性

事務的一致性指事務執行前後，資料庫是一致的，無論事務是否執行成功。一致指資料庫的資料符號資料庫本身定義和要求，沒有非法、無效資料。

redis在三個地方進行校驗：

1）入隊出錯

命令不存在或命令格式錯誤等，表示入隊出錯，redis會拒絕執行事務。

2）執行錯誤

事務執行過程中可能會發生錯誤，這些錯誤是在入隊的時候無法發現的錯誤。在執行中發生的錯誤，不會中斷事務，事務會繼續進行。對資料庫鍵進行錯誤型別操作是最常發生的執行錯誤。

錯誤的命令會被伺服器報出，並且不會將錯誤的命令進行執行，保證資料一致性。

3）伺服器停機

如果redis事務執行期間發生伺服器停機，則根據redis的持久化的方案，會發生以下不同的情況：

1. 無持久化，則沒有儲存任何資料，資料是一致的。

2. rdb或aof持久化，則可以根據rdb或aof檔案進行回覆，不會發生資料不一致。如果無檔案，則無法恢復資料，但資料仍是一致性的。

3、隔離性

隔離性是指多個事務併發進行，各個事務不會互相影響，並且併發狀態下執行事務與序列狀態下執行事務結果完全相同。

由於redis是單執行緒執行事務，且伺服器保證事務執行期間不會有其他命令插入，因此redis的命令總是序列執行的，保證隔離性。

4、耐久性

事務耐久性是指一個事務執行完畢後，事務的結果被儲存在磁盤裡，後面及時伺服器停機，資料仍存在。

由於redis的事務只是對一組命令進行包裹，並沒有附帶持久化的命令，因此redis事務的持久化與否取決於redis伺服器配置的持久化策略。

只有redis在aof持久化狀態下，且appendfsync選項的值設定為always，程式才會每次將命令的結果實時強制同步到磁碟中，redis的事務才有真正的耐久性，其他情況下的redis事務不具有耐久性。

雖然可以在執行exec之前，輸入一個save命令，強制全磁碟儲存，保證事務的耐久性，但是由於save是阻塞的，效率極低，因此不具有實用性。

五、總結

1、redis的事務是將一組命令打包，一次性、有序的執行。

2、事務中的多個命令會被放入到事務佇列中，FIFO的被執行。

3、事務執行過程中不會被中斷，一個事務執行完才會執行下一個事務。

4、watch命令通過資料庫的redisDB結構體的watched_keys字典中，將欄位與要監視的客戶端進行關聯，當鍵被修改，則相應的監視該鍵的全部客戶端的REDIS_DIRTY_CAS標識被開啟。只有該表示沒開啟，伺服器才會執行客戶端的事務，否則伺服器會拒絕提交事務。

5、redis事務具有原子性、一致性、隔離性，其是否具有耐久性取決於redis持久化的配置策略。

——written by linhxx 2017.09.27