Redis的事务功能详解

Redis的事务功能详解

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MULTI、EXEC、DISCARD和WATCH命令是Redis事务功能的基础。Redis事务允许在一次单独的步骤中执行一组命令，并且可以保证如下两个重要事项：

>Redis会将一个事务中的所有命令序列化，然后按顺序执行。Redis不可能在一个Redis事务的执行过程中插入执行另一个客户端发出的请求。这样便能保证Redis将这些命令作为一个单独的隔离操作执行。

> 在一个Redis事务中，Redis要么执行其中的所有命令，要么什么都不执行。因此，Redis事务能够保证原子性。EXEC命令会触发执行事务中的所有命令。因此，当某个客户端正在执行一次事务时，如果它在调用MULTI命令之前就从Redis服务端断开连接，那么就不会执行事务中的任何操作；相反，如果它在调用EXEC命令之后才从Redis服务端断开连接，那么就会执行事务中的所有操作。当Redis使用只增文件（AOF：Append-only File）时，Redis能够确保使用一个单独的write(2)系统调用，这样便能将事务写入磁盘。然而，如果Redis服务器宕机，或者系统管理员以某种方式停止Redis服务进程的运行，那么Redis很有可能只执行了事务中的一部分操作。Redis将会在重新启动时检查上述状态，然后退出运行，并且输出报错信息。使用redis-check-aof工具可以修复上述的只增文件，这个工具将会从上述文件中删除执行不完全的事务，这样Redis服务器才能再次启动。

从2.2版本开始，除了上述两项保证之外，Redis还能够以乐观锁的形式提供更多的保证，这种形式非常类似于“检查再设置”（CAS：Check And Set）操作。本文稍后会对Redis的乐观锁进行描述。

一、相关命令

1. MULTI

用于标记事务块的开始。Redis会将后续的命令逐个放入队列中，然后才能使用EXEC命令原子化地执行这个命令序列。

这个命令的运行格式如下所示：

MULTI

这个命令的返回值是一个简单的字符串，总是OK。

2. EXEC

在一个事务中执行所有先前放入队列的命令，然后恢复正常的连接状态。

当使用WATCH命令时，只有当受监控的键没有被修改时，EXEC命令才会执行事务中的命令，这种方式利用了检查再设置（CAS）的机制。

这个命令的运行格式如下所示：

EXEC

这个命令的返回值是一个数组，其中的每个元素分别是原子化事务中的每个命令的返回值。
当使用WATCH命令时，如果事务执行中止，那么EXEC命令就会返回一个Null值。

3. DISCARD

清除所有先前在一个事务中放入队列的命令，然后恢复正常的连接状态。

如果使用了WATCH命令，那么DISCARD命令就会将当前连接监控的所有键取消监控。

这个命令的运行格式如下所示：

DISCARD

这个命令的返回值是一个简单的字符串，总是OK。

4. WATCH

当某个事务需要按条件执行时，就要使用这个命令将给定的键设置为受监控的。

这个命令的运行格式如下所示：

WATCH key [key ...]

这个命令的返回值是一个简单的字符串，总是OK。

对于每个键来说，时间复杂度总是O(1)。

5. UNWATCH

清除所有先前为一个事务监控的键。

如果你调用了EXEC或DISCARD命令，那么就不需要手动调用UNWATCH命令。

这个命令的运行格式如下所示：

UNWATCH

这个命令的返回值是一个简单的字符串，总是OK。

时间复杂度总是O(1)。

二、使用方法

使用MULTI命令便可以进入一个Redis事务。这个命令的返回值总是OK。此时，用户可以发出多个Redis命令。Redis会将这些命令放入队列，而不是执行这些命令。一旦调用EXEC命令，那么Redis就会执行事务中的所有命令。

相反，调用DISCARD命令将会清除事务队列，然后退出事务。

以下示例会原子化地递增foo键和bar键的值：

" title="">

正如从上面的会话所看到的一样，EXEC命令的返回值是一个数组，其中的每个元素都分别是事务中的每个命令的返回值，返回值的顺序和命令的发出顺序是相同的。

当一个Redis连接正处于MULTI请求的上下文中时，通过这个连接发出的所有命令的返回值都是QUEUE字符串（从Redis协议的角度来看，返回值是作为状态回复（Status Reply）来发送的）。当调用EXEC命令时，Redis会简单地调度执行事务队列中的命令。

三、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：

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）。

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。

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。

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。从2.6.5版本开始，Redis在遭遇上述错误时，会采用先前描述的新行为，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：

" title="">

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：

" title="">

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。

四、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。

五、丢弃命令队列

DISCARD命令可以用来中止事务运行。在这种情况下，不会执行事务中的任何命令，并且会将Redis连接恢复为正常状态。示例如下所示：

" title="">

六、通过CAS操作实现乐观锁

Redis使用WATCH命令实现事务的“检查再设置”（CAS）行为。

作为WATCH命令的参数的键会受到Redis的监控，Redis能够检测到它们的变化。在执行EXEC命令之前，如果Redis检测到至少有一个键被修改了，那么整个事务便会中止运行，然后EXEC命令会返回一个Null值，提醒用户事务运行失败。

例如，设想我们需要将某个键的值自动递增1（假设Redis没有INCR命令）。

首次尝试的伪码可能如下所示：

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

如果我们只有一个Redis客户端在一段指定的时间之内执行上述伪码的操作，那么这段伪码将能够可靠的工作。如果有多个客户端大约在同一时间尝试递增这个键的值，那么将会产生竞争状态。例如，客户端-A和客户端-B都会读取这个键的旧值（例如：10）。这两个客户端都会将这个键的值递增至11，最后使用SET命令将这个键的新值设置为11。因此，这个键的最终值是11，而不是12。

现在，我们可以使用WATCH命令完美地解决上述的问题，伪码如下所示：

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

由上述伪码可知，如果存在竞争状态，并且有另一个客户端在我们调用WATCH命令和EXEC命令之间的时间内修改了val变量的结果，那么事务将会运行失败。

我们只需要重复执行上述伪码的操作，希望此次运行不会再出现竞争状态。这种形式的锁就被称为乐观锁，它是一种非常强大的锁。在许多用例中，多个客户端可能会访问不同的键，因此不太可能发生冲突 —— 也就是说，通常没有必要重复执行上述伪码的操作。

七、WATCH命令详解

那么WATCH命令实际做了些什么呢？这个命令会使得EXEC命令在满足某些条件时才会运行事务：我们要求Redis只有在所有受监控的键都没有被修改时，才会执行事务。（但是，相同的客户端可能会在事务内部修改这些键，此时这个事务不会中止运行。）否则，Redis根本就不会进入事务。（注意，如果你使用WATCH命令监控一个易失性的键，然后在你监控这个键之后，Redis再使这个键过期，那么EXEC命令仍然可以正常工作。）

WATCH命令可以被调用多次。简单说来，所有的WATCH命令都会在被调用之时立刻对相应的键进行监控，直到EXEC命令被调用之时为止。你可以在单条的WATCH命令之中，使用任意数量的键作为命令参数。

当调用EXEC命令时，所有的键都会变为未受监控的状态，Redis不会管事务是否被中止。当一个客户单连接被关闭时，所有的键也都会变为未受监控的状态。

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。

如何使用WATCH命令实现ZPOP操作呢？

本文将通过一个示例，说明如何使用WATCH命令创建一个新的原子化操作（Redis并不原生支持这个原子化操作），此处会以实现ZPOP操作为例。这个命令会以一种原子化的方式，从一个有序集合中弹出分数最低的元素。以下源码是最简单的实现方式：

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

如果伪码中的EXEC命令执行失败（例如，返回Null值），那么我们只需要重复运行这个操作即可。

八、Redis脚本和事务

根据定义，Redis脚本也是事务型的。因此，你可以通过Redis事务实现的功能，同样也可以通过Redis脚本来实现，而且通常脚本更简单、更快速。

由于Redis从2.6版本才开始引入脚本特性，而事务特性是很久以前就已经存在的，所以目前的版本才有两个看起来重复的特性。但是，我们不太可能在短时间内移除对事务特性的支持。因为，即使不用求助于Redis脚本，用户仍然能够规避竞争状态，这从语义上来看是适宜的。还有另一个更重要的原因，Redis事务特性的实现复杂度是最小的。

但是，在相当长的一段时间之内，我们不大可能看到整个用户群体都只使用Redis脚本。如果发生这种情况，那么我们可能会废弃，甚至最终移除Redis事务。