Redis事務命令和原理解析

準確的講，Redis 事務包含兩種模式 :?事務模式?和?Lua 腳本。 先說結論： Redis 的事務模式具備如下特點：

保證隔離性；

無法保證持久性；

具備了一定的原子性，但不支持回滾；

一致性的概念有分歧，假設在一致性的核心是約束的語意下，Redis 的事務可以保證一致性。

但 Lua 腳本更具備實用場景，它是另一種形式的事務，他具備一定的原子性，但腳本報錯的情況下，事務并不會回滾。Lua 腳本可以保證隔離性，而且可以完美的支持后面的步驟依賴前面步驟的結果。 Lua 腳本模式的身影幾乎無處不在，比如分布式鎖、延遲隊列、搶紅包等場景。

1 事務原理

Redis 的事務包含如下命令：

序號	命令及描述
1	MULTI 標記一個事務塊的開始。
2	EXEC 執(zhí)行所有事務塊內(nèi)的命令。
3	DISCARD 取消事務，放棄執(zhí)行事務塊內(nèi)的所有命令。
4	WATCH key [key ...] 監(jiān)視一個 (或多個) key ，如果在事務執(zhí)行之前這個 (或這些) key 被其他命令所改動，那么事務將被打斷。
5	UNWATCH 取消 WATCH 命令對所有 key 的監(jiān)視。

事務包含三個階段：

事務開啟，使用 MULTI , 該命令標志著執(zhí)行該命令的客戶端從非事務狀態(tài)切換至事務狀態(tài) ；

命令入隊，MULTI 開啟事務之后，客戶端的命令并不會被立即執(zhí)行，而是放入一個事務隊列 ；

執(zhí)行事務或者丟棄。如果收到 EXEC 的命令，事務隊列里的命令將會被執(zhí)行 ，如果是 DISCARD 則事務被丟棄。

下面展示一個事務的例子。

 redis> MULTI 
 OK
 redis> SET msg "hello world"
 QUEUED
 redis> GET msg
 QUEUED
 redis> EXEC
 1) OK
 1) hello world

這里有一個疑問？在開啟事務的時候，Redis key 可以被修改嗎？

在事務執(zhí)行 EXEC 命令之前 ，Redis key 依然可以被修改。 在事務開啟之前，我們可以 watch 命令監(jiān)聽 Redis key 。在事務執(zhí)行之前，我們修改 key 值 ，事務執(zhí)行失敗，返回?nil?。

通過上面的例子，watch 命令可以實現(xiàn)類似樂觀鎖的效果?。

2 事務的 ACID

2.1 原子性

原子性是指：一個事務中的所有操作，或者全部完成，或者全部不完成，不會結束在中間某個環(huán)節(jié)。事務在執(zhí)行過程中發(fā)生錯誤，會被回滾到事務開始前的狀態(tài)，就像這個事務從來沒有執(zhí)行過一樣。 第一個例子： 在執(zhí)行 EXEC 命令前，客戶端發(fā)送的操作命令錯誤，比如：語法錯誤或者使用了不存在的命令。

 redis> MULTI
 OK
 redis> SET msg "other msg"
 QUEUED
 redis> wrongcommand  ### 故意寫錯誤的命令
 (error) ERR unknown command 'wrongcommand' 
 redis> EXEC
 (error) EXECABORT Transaction discarded because of previous errors.
 redis> GET msg
 "hello world"

在這個例子中，我們使用了不存在的命令，導致入隊失敗，整個事務都將無法執(zhí)行 。 第二個例子： 事務操作入隊時，命令和操作的數(shù)據(jù)類型不匹配 ，入隊列正常，但執(zhí)行 EXEC 命令異常 。

 redis> MULTI  
 OK
 redis> SET msg "other msg"
 QUEUED
 redis> SET mystring "I am a string"
 QUEUED
 redis> HMSET mystring name  "test"
 QUEUED
 redis> SET msg "after"
 QUEUED
 redis> EXEC
 1) OK
 2) OK
 3) (error) WRONGTYPE Operation against a key holding the wrong kind of value
 4) OK
 redis> GET msg
 "after"

這個例子里，Redis 在執(zhí)行 EXEC 命令時，如果出現(xiàn)了錯誤，Redis 不會終止其它命令的執(zhí)行，事務也不會因為某個命令執(zhí)行失敗而回滾 。 綜上，我對 Redis 事務原子性的理解如下：

命令入隊時報錯， 會放棄事務執(zhí)行，保證原子性；

命令入隊時正常，執(zhí)行 EXEC 命令后報錯，不保證原子性；

也就是：Redis 事務在特定條件下，才具備一定的原子性?。

2.2 隔離性

數(shù)據(jù)庫的隔離性是指：數(shù)據(jù)庫允許多個并發(fā)事務同時對其數(shù)據(jù)進行讀寫和修改的能力，隔離性可以防止多個事務并發(fā)執(zhí)行時由于交叉執(zhí)行而導致數(shù)據(jù)的不一致。 事務隔離分為不同級別 ，分別是：

未提交讀（read uncommitted）

提交讀（read committed）

可重復讀（repeatable read）

串行化（serializable）

首先，需要明確一點：Redis 并沒有事務隔離級別的概念。這里我們討論 Redis 的隔離性是指：并發(fā)場景下，事務之間是否可以做到互不干擾。 我們可以將事務執(zhí)行可以分為?EXEC 命令執(zhí)行前和?EXEC 命令執(zhí)行后兩個階段，分開討論。

EXEC 命令執(zhí)行前

在事務原理這一小節(jié)，我們發(fā)現(xiàn)在事務執(zhí)行之前 ，Redis key 依然可以被修改。此時，可以使用?WATCH 機制來實現(xiàn)樂觀鎖的效果。

EXEC 命令執(zhí)行后

因為 Redis 是單線程執(zhí)行操作命令， EXEC 命令執(zhí)行后，Redis 會保證命令隊列中的所有命令執(zhí)行完 。 這樣就可以保證事務的隔離性。

2.3 持久性

數(shù)據(jù)庫的持久性是指 ：事務處理結束后，對數(shù)據(jù)的修改就是永久的，即便系統(tǒng)故障也不會丟失。 Redis 的數(shù)據(jù)是否持久化取決于 Redis 的持久化配置模式 。

沒有配置 RDB 或者 AOF ，事務的持久性無法保證；

使用了 RDB 模式，在一個事務執(zhí)行后，下一次的 RDB 快照還未執(zhí)行前，如果發(fā)生了實例宕機，事務的持久性同樣無法保證；

使用了 AOF 模式；AOF 模式的三種配置選項 no 、everysec 都會存在數(shù)據(jù)丟失的情況 。always 可以保證事務的持久性，但因為性能太差，在生產(chǎn)環(huán)境一般不推薦使用。

綜上，redis 事務的持久性是無法保證的?。

2.4 一致性

一致性的概念一直很讓人困惑，在我搜尋的資料里，有兩類不同的定義。

維基百科

我們先看下維基百科上一致性的定義：

Consistency ensures that a transaction can only bring the database from one valid state to another, maintaining database invariants: any data written to the database must be valid according to all defined rules, including constraints, cascades, triggers, and any combination thereof. This prevents database corruption by an illegal transaction, but does not guarantee that a transaction is correct. Referential integrity guarantees the primary key – foreign key relationship.

在這段文字里，一致性的核心是 “約束”，“any data written to the database must be valid according to all defined rules?”。 如何理解約束？這里引用知乎問題?如何理解數(shù)據(jù)庫的內(nèi)部一致性和外部一致性，螞蟻金服 OceanBase 研發(fā)專家韓富晟回答的一段話：

“約束” 由數(shù)據(jù)庫的使用者告訴數(shù)據(jù)庫，使用者要求數(shù)據(jù)一定符合這樣或者那樣的約束。當數(shù)據(jù)發(fā)生修改時，數(shù)據(jù)庫會檢查數(shù)據(jù)是否還符合約束條件，如果約束條件不再被滿足，那么修改操作不會發(fā)生。
關系數(shù)據(jù)庫最常見的兩類約束是 “唯一性約束” 和 “完整性約束”，表格中定義的主鍵和唯一鍵都保證了指定的數(shù)據(jù)項絕不會出現(xiàn)重復，表格之間定義的參照完整性也保證了同一個屬性在不同表格中的一致性。

“Consistency in ACID” 是如此的好用，以至于已經(jīng)融化在大部分使用者的血液里了，使用者會在表格設計的時候自覺的加上需要的約束條件，數(shù)據(jù)庫也會嚴格的執(zhí)行這個約束條件。

所以事務的一致性和預先定義的約束有關，保證了約束即保證了一致性。 我們細細品一品這句話：?This prevents database corruption by an illegal transaction, but does not guarantee that a transaction is correct。 寫到這里可能大家還是有點模糊，我們舉經(jīng)典轉賬的案例。 我們開啟一個事務，張三和李四賬號上的初始余額都是 1000 元，并且余額字段沒有任何約束。張三給李四轉賬 1200 元。張三的余額更新為 -200 ， 李四的余額更新為 2200。 從應用層面來看，這個事務明顯不合法，因為現(xiàn)實場景中，用戶余額不可能小于 0 ， 但是它完全遵循數(shù)據(jù)庫的約束，所以從數(shù)據(jù)庫層面來看，這個事務依然保證了一致性。 Redis 的事務一致性是指：Redis 事務在執(zhí)行過程中符合數(shù)據(jù)庫的約束，沒有包含非法或者無效的錯誤數(shù)據(jù)。 我們分三種異常場景分別討論：

執(zhí)行 EXEC 命令前，客戶端發(fā)送的操作命令錯誤，事務終止，數(shù)據(jù)保持一致性；

執(zhí)行 EXEC 命令后，命令和操作的數(shù)據(jù)類型不匹配，錯誤的命令會報錯，但事務不會因為錯誤的命令而終止，而是會繼續(xù)執(zhí)行。正確的命令正常執(zhí)行，錯誤的命令報錯，從這個角度來看，數(shù)據(jù)也可以保持一致性；

執(zhí)行事務的過程中，Redis 服務宕機。這里需要考慮服務配置的持久化模式。

無持久化的內(nèi)存模式：服務重啟之后，數(shù)據(jù)庫沒有保持數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)都是保持一致性的；

RDB / AOF 模式： 服務重啟后，Redis 通過 RDB / AOF 文件恢復數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫會還原到一致的狀態(tài)。

綜上所述，在一致性的核心是約束的語意下，Redis 的事務可以保證一致性。

《設計數(shù)據(jù)密集型應用》

這本書是分布式系統(tǒng)入門的神書。在事務這一章節(jié)有一段關于 ACID 的解釋： ?

Atomicity, isolation, and durability are properties of the database,whereas consistency (in the ACID sense) is a property of the application. The application may rely on the database’s atomicity and isolation properties in order to achieve consistency, but it’s not up to the database alone. Thus, the letter C doesn’t really belong in ACID.

原子性，隔離性和持久性是數(shù)據(jù)庫的屬性，而一致性（在 ACID 意義上）是應用程序的屬性。應用可能依賴數(shù)據(jù)庫的原子性和隔離屬性來實現(xiàn)一致性，但這并不僅取決于數(shù)據(jù)庫。因此，字母 C 不屬于 ACID 。 很多時候，我們一直在糾結的一致性，其實就是指符合現(xiàn)實世界的一致性，現(xiàn)實世界的一致性才是事務追求的最終目標。 為了實現(xiàn)現(xiàn)實世界的一致性，需要滿足如下幾點：

保證原子性，持久性和隔離性，如果這些特征都無法保證，那么事務的一致性也無法保證；

數(shù)據(jù)庫本身的約束，比如字符串長度不能超過列的限制或者唯一性約束；

業(yè)務層面同樣需要進行保障 。

2.5 事務特點

我們通常稱 Redis 為內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，不同于傳統(tǒng)的關系數(shù)據(jù)庫，為了提供了更高的性能，更快的寫入速度，在設計和實現(xiàn)層面做了一些平衡，并不能完全支持事務的 ACID。 Redis 的事務具備如下特點：

保證隔離性；

無法保證持久性；

具備了一定的原子性，但不支持回滾；

一致性的概念有分歧，假設在一致性的核心是約束的語意下，Redis 的事務可以保證一致性。

從工程角度來看，假設事務操作中每個步驟需要依賴上一個步驟返回的結果，則需要通過 watch 來實現(xiàn)樂觀鎖 。

3 Lua 腳本

3.1 簡介

Lua 由標準 C 編寫而成，代碼簡潔優(yōu)美，幾乎在所有操作系統(tǒng)和平臺上都可以編譯，運行。Lua 腳本可以很容易的被 C/C ++ 代碼調用，也可以反過來調用 C/C++ 的函數(shù)，這使得 Lua 在應用程序中可以被廣泛應用。 Lua 腳本在游戲領域大放異彩，大家耳熟能詳?shù)摹洞笤捨饔?II》，《魔獸世界》都大量使用 Lua 腳本。Java 后端工程師接觸過的 api 網(wǎng)關，比如?Openresty?，Kong?都可以看到 Lua 腳本的身影。 從 Redis 2.6.0 版本開始， Redis 內(nèi)置的 Lua 解釋器，可以實現(xiàn)在 Redis 中運行 Lua 腳本。 使用 Lua 腳本的好處 ：

減少網(wǎng)絡開銷。將多個請求通過腳本的形式一次發(fā)送，減少網(wǎng)絡時延。

原子操作。Redis 會將整個腳本作為一個整體執(zhí)行，中間不會被其他命令插入。

復用?？蛻舳税l(fā)送的腳本會永久存在 Redis 中，其他客戶端可以復用這一腳本而不需要使用代碼完成相同的邏輯。

Redis Lua 腳本常用命令：

序號	命令及描述
1	EVAL script numkeys key [key ...] arg [arg ...] 執(zhí)行 Lua 腳本。
2	EVALSHA sha1 numkeys key [key ...] arg [arg ...] 執(zhí)行 Lua 腳本。
3	SCRIPT EXISTS script [script ...] 查看指定的腳本是否已經(jīng)被保存在緩存當中。
4	SCRIPT FLUSH 從腳本緩存中移除所有腳本。
5	SCRIPT KILL 殺死當前正在運行的 Lua 腳本。
6	SCRIPT LOAD script 將腳本 script 添加到腳本緩存中，但并不立即執(zhí)行這個腳本。

3.2 EVAL 命令

命令格式：

 EVAL script numkeys key [key ...] arg [arg ...]

說明：

script?是第一個參數(shù)，為 Lua 5.1 腳本；

第二個參數(shù)?numkeys?指定后續(xù)參數(shù)有幾個 key；

key [key ...]，是要操作的鍵，可以指定多個，在 Lua 腳本中通過?KEYS[1],?KEYS[2]?獲取；

arg [arg ...]，參數(shù)，在 Lua 腳本中通過?ARGV[1],?ARGV[2]?獲取。

簡單實例：

 redis> eval "return ARGV[1]" 0 100 
 "100"
 redis> eval "return {ARGV[1],ARGV[2]}" 0 100 101
 1) "100"
 2) "101"
 redis> eval "return {KEYS[1],KEYS[2],ARGV[1]}" 2 key1 key2 first second
 1) "key1"
 2) "key2"
 3) "first"
 4) "second"

下面演示下 Lua 如何調用 Redis 命令 ，通過?redis.call()?來執(zhí)行了 Redis 命令 。

 redis> set mystring 'hello world'
 OK
 redis> get mystring
 "hello world"
 redis> EVAL "return redis.call('GET',KEYS[1])" 1 mystring
 "hello world"
 redis> EVAL "return redis.call('GET','mystring')" 0
 "hello world"

3.3 EVALSHA 命令

使用 EVAL 命令每次請求都需要傳輸 Lua 腳本 ，若 Lua 腳本過長，不僅會消耗網(wǎng)絡帶寬，而且也會對 Redis 的性能造成一定的影響。 思路是先將 Lua 腳本先緩存起來，返回給客戶端 Lua 腳本的 sha1 摘要。 客戶端存儲腳本的 sha1 摘要 ，每次請求執(zhí)行 EVALSHA 命令即可。

EVALSHA 命令基本語法如下：

redis> EVALSHA sha1 numkeys key [key ...] arg [arg ...]?

實例如下：

 redis> SCRIPT LOAD "return 'hello world'"
 "5332031c6b470dc5a0dd9b4bf2030dea6d65de91"
 redis> EVALSHA 5332031c6b470dc5a0dd9b4bf2030dea6d65de91 0
 "hello world"

4 事務 VS Lua 腳本

從定義上來說，?Redis 中的腳本本身就是一種事務， 所以任何在事務里可以完成的事， 在腳本里面也能完成。 并且一般來說， 使用腳本要來得更簡單，并且速度更快。
因為腳本功能是 Redis 2.6 才引入的， 而事務功能則更早之前就存在了， 所以 Redis 才會同時存在兩種處理事務的方法。

不過我們并不打算在短時間內(nèi)就移除事務功能， 因為事務提供了一種即使不使用腳本， 也可以避免競爭條件的方法， 而且事務本身的實現(xiàn)并不復雜。

--?https://redis.io/

Lua 腳本是另一種形式的事務，他具備一定的原子性，但腳本報錯的情況下，事務并不會回滾。Lua 腳本可以保證隔離性，而且可以完美的支持后面的步驟依賴前面步驟的結果。 Lua 腳本模式的身影幾乎無處不在，比如分布式鎖、延遲隊列、搶紅包等場景。 不過在編寫 Lua 腳本時，要注意如下兩點：

為了避免 Redis 阻塞，Lua 腳本業(yè)務邏輯不能過于復雜和耗時；

仔細檢查和測試 Lua 腳本 ，因為執(zhí)行 Lua 腳本具備一定的原子性，不支持回滾。

編輯：黃飛

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