Redis 事務(wù)

事務(wù)

Redis 通過(guò) MULTI 、 DISCARD 、 EXEC 和 WATCH 四個(gè)命令來(lái)實(shí)現(xiàn)事務(wù)功能，本章首先討論使用 MULTI 、 DISCARD 和 EXEC 三個(gè)命令實(shí)現(xiàn)的一般事務(wù)，然后再來(lái)討論帶有 WATCH 的事務(wù)的實(shí)現(xiàn)。

因?yàn)槭聞?wù)的安全性也非常重要，所以本章最后通過(guò)常見的 ACID 性質(zhì)對(duì) Redis 事務(wù)的安全性進(jìn)行了說(shuō)明。

事務(wù)

事務(wù)提供了一種“將多個(gè)命令打包，然后一次性、按順序地執(zhí)行”的機(jī)制，并且事務(wù)在執(zhí)行的期間不會(huì)主動(dòng)中斷 ——服務(wù)器在執(zhí)行完事務(wù)中的所有命令之后，才會(huì)繼續(xù)處理其他客戶端的其他命令。

以下是一個(gè)事務(wù)的例子，它先以 MULTI 開始一個(gè)事務(wù)，然后將多個(gè)命令入隊(duì)到事務(wù)中，最后由 EXEC 命令觸發(fā)事務(wù)，一并執(zhí)行事務(wù)中的所有命令：

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"

一個(gè)事務(wù)從開始到執(zhí)行會(huì)經(jīng)歷以下三個(gè)階段：

1. 開始事務(wù)。
2. 命令入隊(duì)。
3. 執(zhí)行事務(wù)。

下文將分別介紹事務(wù)的這三個(gè)階段。

開始事務(wù)

MULTI 命令的執(zhí)行標(biāo)記著事務(wù)的開始：

redis> MULTI
OK

這個(gè)命令唯一做的就是，將客戶端的 REDIS_MULTI 選項(xiàng)打開，讓客戶端從非事務(wù)狀態(tài)切換到事務(wù)狀態(tài)。

transaction [label = "打開選項(xiàng)\nREDIS_MULTI"];}" />

命令入隊(duì)

當(dāng)客戶端處于非事務(wù)狀態(tài)下時(shí)，所有發(fā)送給服務(wù)器端的命令都會(huì)立即被服務(wù)器執(zhí)行：

redis> SET msg "hello moto"
OK

redis> GET msg
"hello moto"

但是，當(dāng)客戶端進(jìn)入事務(wù)狀態(tài)之后，服務(wù)器在收到來(lái)自客戶端的命令時(shí)，不會(huì)立即執(zhí)行命令，而是將這些命令全部放進(jìn)一個(gè)事務(wù)隊(duì)列里，然后返回 QUEUED ，表示命令已入隊(duì)：

redis> MULTI
OK

redis> SET msg "hello moto"
QUEUED

redis> GET msg
QUEUED

以下流程圖展示了這一行為：

in_transaction_or_not; in_transaction_or_not -> enqueu_command [label = "是"]; in_transaction_or_not -> exec_command [label = "否"]; exec_command -> return_command_result; enqueu_command -> return_enqueued;}" />

事務(wù)隊(duì)列是一個(gè)數(shù)組，每個(gè)數(shù)組項(xiàng)是都包含三個(gè)屬性：

1. 要執(zhí)行的命令（cmd）。
2. 命令的參數(shù)（argv）。
3. 參數(shù)的個(gè)數(shù)（argc）。

舉個(gè)例子，如果客戶端執(zhí)行以下命令：

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

那么程序?qū)榭蛻舳藙?chuàng)建以下事務(wù)隊(duì)列：

執(zhí)行事務(wù)

前面說(shuō)到，當(dāng)客戶端進(jìn)入事務(wù)狀態(tài)之后，客戶端發(fā)送的命令就會(huì)被放進(jìn)事務(wù)隊(duì)列里。

但其實(shí)并不是所有的命令都會(huì)被放進(jìn)事務(wù)隊(duì)列，其中的例外就是 EXEC 、 DISCARD 、 MULTI 和 WATCH 這四個(gè)命令 ——當(dāng)這四個(gè)命令從客戶端發(fā)送到服務(wù)器時(shí)，它們會(huì)像客戶端處于非事務(wù)狀態(tài)一樣，直接被服務(wù)器執(zhí)行：

in_transaction_or_not; in_transaction_or_not -> not_exec_and_discard [label = "是"]; not_exec_and_discard -> enqueu_command [label = "否"]; not_exec_and_discard -> exec_command [label = "是"]; in_transaction_or_not -> exec_command [label = "否"]; exec_command -> return_command_result; enqueu_command -> return_enqueued;}" />

如果客戶端正處于事務(wù)狀態(tài)，那么當(dāng) EXEC 命令執(zhí)行時(shí)，服務(wù)器根據(jù)客戶端所保存的事務(wù)隊(duì)列，以先進(jìn)先出（FIFO）的方式執(zhí)行事務(wù)隊(duì)列中的命令：最先入隊(duì)的命令最先執(zhí)行，而最后入隊(duì)的命令最后執(zhí)行。

比如說(shuō)，對(duì)于以下事務(wù)隊(duì)列：

程序會(huì)首先執(zhí)行 SET 命令，然后執(zhí)行 GET 命令，再然后執(zhí)行 SADD 命令，最后執(zhí)行 SMEMBERS 命令。

執(zhí)行事務(wù)中的命令所得的結(jié)果會(huì)以 FIFO 的順序保存到一個(gè)回復(fù)隊(duì)列中。

比如說(shuō)，對(duì)于上面給出的事務(wù)隊(duì)列，程序?qū)殛?duì)列中的命令創(chuàng)建如下回復(fù)隊(duì)列：

當(dāng)事務(wù)隊(duì)列里的所有命令被執(zhí)行完之后，EXEC 命令會(huì)將回復(fù)隊(duì)列作為自己的執(zhí)行結(jié)果返回給客戶端，客戶端從事務(wù)狀態(tài)返回到非事務(wù)狀態(tài)，至此，事務(wù)執(zhí)行完畢。

事務(wù)的整個(gè)執(zhí)行過(guò)程可以用以下偽代碼表示：

def execute_transaction():

    # 創(chuàng)建空白的回復(fù)隊(duì)列
    reply_queue = []

    # 取出事務(wù)隊(duì)列里的所有命令、參數(shù)和參數(shù)數(shù)量
    for cmd, argv, argc in client.transaction_queue:

        # 執(zhí)行命令，并取得命令的返回值
        reply = execute_redis_command(cmd, argv, argc)

        # 將返回值追加到回復(fù)隊(duì)列末尾
        reply_queue.append(reply)

    # 清除客戶端的事務(wù)狀態(tài)
    clear_transaction_state(client)

    # 清空事務(wù)隊(duì)列
    clear_transaction_queue(client)

    # 將事務(wù)的執(zhí)行結(jié)果返回給客戶端
    send_reply_to_client(client, reply_queue)

在事務(wù)和非事務(wù)狀態(tài)下執(zhí)行命令

無(wú)論在事務(wù)狀態(tài)下，還是在非事務(wù)狀態(tài)下，Redis 命令都由同一個(gè)函數(shù)執(zhí)行，所以它們共享很多服務(wù)器的一般設(shè)置，比如 AOF 的配置、RDB 的配置，以及內(nèi)存限制，等等。

不過(guò)事務(wù)中的命令和普通命令在執(zhí)行上還是有一點(diǎn)區(qū)別的，其中最重要的兩點(diǎn)是：

1. 非事務(wù)狀態(tài)下的命令以單個(gè)命令為單位執(zhí)行，前一個(gè)命令和后一個(gè)命令的客戶端不一定是同一個(gè)；

而事務(wù)狀態(tài)則是以一個(gè)事務(wù)為單位，執(zhí)行事務(wù)隊(duì)列中的所有命令：除非當(dāng)前事務(wù)執(zhí)行完畢，否則服務(wù)器不會(huì)中斷事務(wù)，也不會(huì)執(zhí)行其他客戶端的其他命令。

1. 在非事務(wù)狀態(tài)下，執(zhí)行命令所得的結(jié)果會(huì)立即被返回給客戶端；

而事務(wù)則是將所有命令的結(jié)果集合到回復(fù)隊(duì)列，再作為 EXEC 命令的結(jié)果返回給客戶端。

事務(wù)狀態(tài)下的 DISCARD 、 MULTI 和 WATCH 命令

除了 EXEC 之外，服務(wù)器在客戶端處于事務(wù)狀態(tài)時(shí)，不加入到事務(wù)隊(duì)列而直接執(zhí)行的另外三個(gè)命令是 DISCARD 、 MULTI 和 WATCH 。

DISCARD 命令用于取消一個(gè)事務(wù)，它清空客戶端的整個(gè)事務(wù)隊(duì)列，然后將客戶端從事務(wù)狀態(tài)調(diào)整回非事務(wù)狀態(tài)，最后返回字符串 OK 給客戶端，說(shuō)明事務(wù)已被取消。

Redis 的事務(wù)是不可嵌套的，當(dāng)客戶端已經(jīng)處于事務(wù)狀態(tài)，而客戶端又再向服務(wù)器發(fā)送 MULTI 時(shí)，服務(wù)器只是簡(jiǎn)單地向客戶端發(fā)送一個(gè)錯(cuò)誤，然后繼續(xù)等待其他命令的入隊(duì)。MULTI 命令的發(fā)送不會(huì)造成整個(gè)事務(wù)失敗，也不會(huì)修改事務(wù)隊(duì)列中已有的數(shù)據(jù)。

WATCH 只能在客戶端進(jìn)入事務(wù)狀態(tài)之前執(zhí)行，在事務(wù)狀態(tài)下發(fā)送 WATCH 命令會(huì)引發(fā)一個(gè)錯(cuò)誤，但它不會(huì)造成整個(gè)事務(wù)失敗，也不會(huì)修改事務(wù)隊(duì)列中已有的數(shù)據(jù)（和前面處理 MULTI 的情況一樣）。

帶 WATCH 的事務(wù)

WATCH [http://redis.readthedocs.org/en/latest/transaction/watch.html#watch] 命令用于在事務(wù)開始之前監(jiān)視任意數(shù)量的鍵：當(dāng)調(diào)用 EXEC [http://redis.readthedocs.org/en/latest/transaction/exec.html#exec] 命令執(zhí)行事務(wù)時(shí)，如果任意一個(gè)被監(jiān)視的鍵已經(jīng)被其他客戶端修改了，那么整個(gè)事務(wù)不再執(zhí)行，直接返回失敗。

以下示例展示了一個(gè)執(zhí)行失敗的事務(wù)例子：

redis> WATCH name
OK

redis> MULTI
OK

redis> SET name peter
QUEUED

redis> EXEC
(nil)

以下執(zhí)行序列展示了上面的例子是如何失敗的：

在時(shí)間 T4 ，客戶端 B 修改了 name 鍵的值，當(dāng)客戶端 A 在 T5 執(zhí)行 EXEC 時(shí)，Redis 會(huì)發(fā)現(xiàn) name 這個(gè)被監(jiān)視的鍵已經(jīng)被修改，因此客戶端 A 的事務(wù)不會(huì)被執(zhí)行，而是直接返回失敗。

下文就來(lái)介紹 WATCH 的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，并且看看事務(wù)系統(tǒng)是如何檢查某個(gè)被監(jiān)視的鍵是否被修改，從而保證事務(wù)的安全性的。

WATCH 命令的實(shí)現(xiàn)

在每個(gè)代表數(shù)據(jù)庫(kù)的 redis.h/redisDb 結(jié)構(gòu)類型中，都保存了一個(gè) watched_keys 字典，字典的鍵是這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)被監(jiān)視的鍵，而字典的值則是一個(gè)鏈表，鏈表中保存了所有監(jiān)視這個(gè)鍵的客戶端。

比如說(shuō)，以下字典就展示了一個(gè) watched_keys 字典的例子：