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什麼是事務的ACID? Redis事務能實現ACID嗎?

青灯夜游
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2022-01-22 09:26:462346瀏覽

Redis 事務支援 ACID 嗎?以下這篇文章帶大家了解一下Redis的事務,介紹一下Redis實現事務的方法,聊聊Redis 事務支援 ACID嗎,希望對大家有幫助!

什麼是事務的ACID? Redis事務能實現ACID嗎?

騰訊面試官:「Redis 的事務了解麼?它的事務機制能實現ACID 屬性麼?」

程許遠:「撓頭,這個…我知道lua 腳本能實現事務…」

騰訊面試官:「好的,回去等通知吧。」


##碼哥,我斬獲了很多offer,沒想到最後敗在了「Redis 如何實現事務?」這個問題。

我們來一步一步分析:

  • 什麼是交易 ACID?

  • Redis 如何實作交易?

  • Redis 的事務能實現哪些屬性?

  • Lua 腳本實作。

什麼是事務的ACID

鬼吹燈之《雲南蟲谷》中的摸金校尉有句話叫「合則生,分則死」,為了尋找雮塵珠他們三人分工明確、

齊心協力共進退方可成功。

交易(Transaction)是並發控制單位,一個操作序列組合而成,這些操作要么都執行,要么都不執行。 【相關推薦:

Redis影片教學

「是一個不可分割的工作單位」。

事務在執行時,會提供專門的屬性保證:

  • 原子性(Atomicity):一個事務的多個操作必須完成,或者都不完成( ps:MySQL 的原子性靠什麼實現呢?歡迎留言區評論);

  • #一致性(Consistency):事務執行結束後,資料庫的完整性限制沒有被破壞,事務執行的前後順序都是合法資料狀態。

    資料庫的完整性限制包括但不限於:

      實體完整性(如行的主鍵存在且唯一);
    • 列完整性(如字段的類型、大小、長度要符合要求)
    • 外鍵約束;
    • 使用者自訂完整性(如轉帳前後,兩個帳戶餘額的和應該不變)。
  • 隔離性(Isolation):交易內部的操作與其他交易是隔離的,並發執行的各個事務之間不能互相干擾。

    講究的是不同事務之間的相互影響,嚴格的隔離性對應隔離等級中的可串行化(Serializable)。

  • 持久性(Durability):交易一旦提交,所有的修改將永久的保存到資料庫中,即使系統崩潰重啟後資料也不會遺失。

碼哥,了解了 ACID 的特定要求後,Redis 如何實現事務機制?

Redis 如何實作交易

MULTIEXECDISCARD WATCH 指令是Redis 實作交易的基礎。

Redis 交易的執行過程包含三個步驟:

  • 開啟交易;

  • 指令入隊;

  • 執行交易或丟棄;

#明確開啟一個交易

客戶端透過

MULTI 指令明確表示開啟一個事務,隨後的指令將排隊緩存,並不會實際執行。

命令入隊

客戶端把事務中的要執行的一系列指令傳送到服務端。

要注意的是,雖然指令傳送到服務端,但是 Redis 實例只是把這一系列指令暫存在一個指令佇列中,並不會立刻執行。

執行交易或丟棄

客戶端向服務端發送提交或丟棄交易的命令,讓Redis 執行第二步驟中發送的具體指令或清空佇列指令,放棄執行。

Redis 只要在呼叫

EXEC 時,即可安排佇列指令執行。

也可透過

DISCARD 丟棄第二步驟中保存在佇列中的指令。

Redis 事務案例

透過線上偵錯網站執行我們的範例程式碼:try.redis.io

#正常執行

透過MULTI EXEC 執行一個事務程序:

# 开启事务
> MULTI
OK
# 开始定义一些列指令
> SET “公众号:码哥字节” "粉丝 100 万"
QUEUED
> SET "order" "30"
QUEUED
> SET "文章数" 666
QUEUED
> GET "文章数"
QUEUED
# 实际执行事务
> EXEC
1) OK
2) OK
3) OK
4) "666"

我們看到每個讀寫指令執行後的回傳結果都是QUEUED,表示謝謝操作都被暫存到了命令隊列,還沒有實際執行。

當執行了 EXEC 指令,就可以看到具體每個指令的回應資料。

放棄交易

透過MULTIDISCARD丟棄佇列指令:

# 初始化订单数
> SET "order:mobile" 100
OK
# 开启事务
> MULTI
OK
# 订单 - 1
> DECR "order:mobile"
QUEUED
# 丢弃丢列命令
> DISCARD
OK
# 数据没有被修改
> GET "order:mobile"
"100"

#碼哥,Redis 的事務能保證ACID 特性麼?

這個問題問得好,我們一起來分析下。

Redis 事務滿足 ACID?

Redis 交易可以一次執行多個命令, 並且帶有以下三個重要的保證:

  • ##批次指令在執行EXEC 指令之前會放入佇列暫存;

  • 收到EXEC 指令後進入事務執行,事務中任意指令執行失敗,其餘的指令依然被執行;

  • 事務執行過程中,其他客戶端提交的命令不會插入到目前命令執行的序列中。

原子性

#碼哥,如果事務執行過程中發生錯誤了,原子效能保證麼?

在交易期間,可能遇到兩種指令錯誤:

    在執行
  • EXEC 指令前,發送的指令本身就錯誤。如下:
      參數數量錯誤;
    • 命令名稱錯誤,使用了不存在的命令;
    • 記憶體不足(Redis 實例使用
    • maxmemory指令配置內存限制)。
  • 在執行
  • EXEC 指令後,指令可能會失敗。例如,命令和操作的資料類型不符(對 String 類型 的 value 執行了 List 清單操作);
  • 在執行交易的
  • EXEC 命令時。 Redis 實例發生了故障導致交易執行失敗。

EXEC 執行前報錯誤

在命令入隊時,Redis 就會

報錯並且記錄下這個錯誤

此時,我們

還能繼續提交指令操作

等到執行了

EXEC指令之後,Redis 就會拒絕執行所有提交的命令操作,回傳事務失敗的結果

這樣一來,

事務中的所有指令都不會再被執行了,保證了原子性。

如下是指令入隊發生錯誤,導致交易失敗的例子:

#开启事务
> MULTI
OK
#发送事务中的第一个操作,但是Redis不支持该命令,返回报错信息
127.0.0.1:6379> PUT order 6
(error) ERR unknown command `PUT`, with args beginning with: `order`, `6`,
#发送事务中的第二个操作,这个操作是正确的命令,Redis把该命令入队
> DECR b:stock
QUEUED
#实际执行事务,但是之前命令有错误,所以Redis拒绝执行
> EXEC
(error) EXECABORT Transaction discarded because of previous errors.

EXEC 執行後報錯

事務操作入隊時,命令和操作的資料類型不匹配,但Redis 實例沒有檢查出錯誤。

但是,執行完 EXEC 指令以後,Redis 實際執行這些指令,就會報錯。

敲黑板了:Redis 雖然會對錯誤指令報錯,但是事務依然會把正確的命令執行完,這時候事務的原子性就無法保證了!

碼哥,為什麼 Redis 不支援回溯?

其實,Redis 中並沒有提供回溯機制。雖然 Redis 提供了 DISCARD 命令。

但是,這個指令只能用來主動放棄交易執行,把暫存的指令佇列清空,起不到回滾的效果。

EXEC 執行時,發生故障

如果 Redis 開啟了 AOF 日誌,那麼,只會有部分的交易操作被記錄到 AOF 日誌中。

我們需要使用 redis-check-aof 工具檢查 AOF 日誌文件,這個工具可以把未完成的事務操作從 AOF 文件中移除。

這樣一來,我們使用 AOF 恢復實例後,事務操作就不會再被執行,從而保證了原子性。

簡單總結

    命令入隊時就報錯,會放棄事務執行,保證原子性;
  • 命令入隊時沒報錯,實際執行時報錯,不保證原子性;
  • EXEC 指令執行時實例故障,如果開啟了AOF 日誌,可以保證原子性。

一致性

一致性會受到錯誤指令、執行個體故障發生時機的影響,依照指令出錯實例故障兩個維度的發生時機,可以分成三種情況來分析。

EXEC 執行前,入隊報錯

事務會被放棄執行,所以可以保證一致性。

EXEC 執行後,實際執行時報錯誤

有錯誤的執行不會執行,正確的指令可以正常執行,一致性可以保證。

EXEC 執行時,實例故障

實例故障後會進行重啟,這就和資料復原的方式有關了,我們要根據實例是否開啟了RDB 或AOF 來分情況討論下。

如果我們沒有開啟 RDB 或 AOF,那麼,在實例故障重新啟動後,資料都沒有了,資料庫是一致的。

如果我們使用了 RDB 快照,因為 RDB 快照不會在交易執行時執行。

所以,交易指令操作的結果不會被儲存到 RDB 快照中,使用 RDB 快照進行復原時,資料庫裡的資料也是一致的。

如果我們使用了 AOF 日誌,而交易操作還沒有被記錄到 AOF 日誌時,實例就發生了故障,那麼,使用 AOF 日誌復原的資料庫資料是一致的。

如果只有部分操作被記錄到了 AOF 日誌,我們可以使用 redis-check-aof 清除交易中已經完成的操作,資料庫復原後也是一致的。

隔離性

交易執行又可以分成指令入隊(EXEC 指令執行前)和指令實際執行(EXEC 指令執行後)兩個階段。

所以在並發執行的時候我們針對這兩個階段分兩種情況分析:

  • 並發操作在EXEC 指令前執行,隔離性需要透過WATCH 機制保證;

  • 並發操作在EXEC 指令之後,隔離性可以保證。

碼哥,什麼是 WATCH 機制?

我們重點來看第一種情況:當一個事務的 EXEC 指令還沒執行時,事務的指令操作是暫存在指令佇列中的。

此時,如果有其它的並發操作,同樣的 key 被修改,需要看交易是否使用了 WATCH 機制。

WATCH 機制的作用是:在交易執行前,監控一個或多個鍵的值變化情況,當交易呼叫EXEC 指令執行時,WATCH 機制會先檢查監控的鍵是否被其它客戶端修改了。

如果修改了,就放棄交易執行,避免事務的隔離性被破壞。

同時,客戶端可以再次執行事務,此時,如果沒有並發修改事務資料的操作了,事務就能正常執行,隔離性也得到了保證。

什麼是事務的ACID? Redis事務能實現ACID嗎?

沒有 WATCH

如果沒有 WATCH 機制, 在 EXEC 指令執行前的並發操作對資料讀寫。

當執行 EXEC 的時候,事務內部要操作的資料已經改變,Redis 並沒有做到事務之間的隔離。

什麼是事務的ACID? Redis事務能實現ACID嗎?

並發操作在EXEC 之後接收執行

至於第二種情況,因為Redis 是用單執行緒執行指令,而且,EXEC 指令執行後,Redis 會保證先把指令佇列中的所有指令執行完再執行之後的指令。

所以,在這種情況下,並發操作不會破壞交易的隔離性。

什麼是事務的ACID? Redis事務能實現ACID嗎?

持久性

#如果Redis 沒有使用RDB 或AOF,那麼交易的持久化屬性肯定得不到保證。

如果Redis 使用了RDB 模式,那麼,在一個事務執行後,而下一次的RDB 快照還未執行前,如果發生了實例宕機,資料遺失,這種情況下,事務修改的數據也是不能保證持久化的。

如果 Redis 採用了 AOF 模式,因為 AOF 模式的三個設定選項 no、everysec 和 always 都會存在資料遺失的情況。

所以,事務的持久性屬性也還是得不到保證。

不管 Redis 採用什麼持久化模式,交易的持久性屬性是得不到保證的。

總結

  • #Redis 具備了一定的原子性,但不支援回滾。
  • Redis 不具備 ACID 中一致性的概念。 (或者說 Redis 在設計時就無視這點)
  • Redis 具備隔離性。
  • Redis 無法保證持久性。

Redis 的交易機制可以保證一致性和隔離性,但無法保證持久性。

不過,因為 Redis 本身就是記憶體資料庫,持久性並不是一個必須的屬性,我們更加關注的還是原子性、一致性和隔離性這三個屬性。

原子性的情況比較複雜,當事務中使用的命令語法有誤時,原子性得不到保證,在其它情況下,事務都可以原子性執行。

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