Redis 事务支持 ACID 么?
腾讯面试官:「数据库事务机制了解么?」
「内心独白:小意思,不就 ACID 嘛,转眼一想,我面试的可是技术专家,不会这么简单的问题吧」
程许远:「balabala…… 极其自信且从容淡定的说了一通。」
腾讯面试官:「Redis 的事务了解么?它的事务机制能实现 ACID 属性么?」
程许远:「挠头,这个……我知道 lua 脚本能实现事务…」
腾讯面试官:「好的,回去等通知吧。」
码哥,我跟着你学习了 《Redis 系列》斩获了很多 offer,没想到最后败在了 「Redis 如何实现事务?」这个问题上。
我们来一步步分析:
- 什么是事务 ACID?
- Redis 如何实现事务?
- Redis 的事务能实现哪些属性?
- Lua 脚本实现。
什么是事务的 ACID
鬼吹灯之《云南虫谷》中的摸金校尉有句话叫「合则生,分则死」,为了寻找雮尘珠他们三人分工明确、齐心协力共进退方可成功。
事务(Transaction)是并发控制单位,一个操作序列组合而成,这些操作要么都执行,要么都不执行。
「是一个不可分割的工作单位」。
事务在执行时,会提供专门的属性保证:
-
原子性(Atomicity):一个事务的多个操作必须完成,或者都不完成(ps:MySQL 的原子性靠什么实现呢?欢迎留言区评论);
-
一致性(Consistency):事务执行结束后,数据库的完整性约束没有被破坏,事务执行的前后顺序都是合法数据状态。
数据库的完整性约束包括但不限于:
- 实体完整性(如行的主键存在且唯一);
- 列完整性(如字段的类型、大小、长度要符合要求)
- 外键约束;
- 用户自定义完整性(如转账前后,两个账户余额的和应该不变)。
-
隔离性(Isolation):事务内部的操作与其他事务是隔离的,并发执行的各个事务之间不能互相干扰。
讲究的是不同事务之间的相互影响,严格的隔离性对应隔离级别中的可串行化(Serializable)。
-
持久性(Durability):事务一旦提交,所有的修改将永久的保存到数据库中,即使系统崩溃重启后数据也不会丢失。
码哥,了解了 ACID 的具体要求后,Redis 是如何实现事务机制呢?
Redis 如何实现事务
MULTI、EXEC、DISCARD 和 WATCH 命令是 Redis 实现事务的的基础。
Redis 事务的执行过程包含三个步骤:
- 开启事务;
- 命令入队;
- 执行事务或丢弃;
显式开启一个事务
客户端通过 MULTI
命令显式地表示开启一个事务,随后的命令将排队缓存,并不会实际执行。
命令入队
客户端把事务中的要执行的一系列指令发送到服务端。
需要注意的是,虽然指令发送到服务端,但是 Redis 实例只是把这一系列指令暂存在一个命令队列中,并不会立刻执行。
执行事务或丢弃
客户端向服务端发送提交或者丢弃事务的命令,让 Redis 执行第二步中发送的具体指令或者清空队列命令,放弃执行。
Redis 只需在调用 EXEC 时,即可安排队列命令执行。
也可通过 DISCARD 丢弃第二步中保存在队列中的命令。
Redis 事务案例
通过在线调试网站执行我们的样例代码:https://try.redis.io
正常执行
通过 MULTI
和 EXEC
执行一个事务过程:
# 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"
我们看到每个读写指令执行后的返回结果都是 QUEUED
,表示谢谢操作都被暂存到了命令队列,还没有实际执行。
当执行了 EXEC
命令,就可以看到具体每个指令的响应数据。
放弃事务
通过 MULTI
和 DISCARD
丢弃队列命令:
# 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"
码哥,Redis 的事务能保证 ACID 特性么?
这个问题问得好,我们一起来分析下。
Redis 事务满足 ACID?
Redis 事务可以一次执行多个命令, 并且带有以下三个重要的保证:
- 批量指令在执行 EXEC 命令之前会放入队列暂存;
- 收到 EXEC 命令后进入事务执行,事务中任意命令执行失败,其余的命令依然被执行;
- 事务执行过程中,其他客户端提交的命令不会插入到当前命令执行的序列中。
原子性
码哥,如果事务执行过程中发生错误了,原子性能保证么?
在事务期间,可能遇到两种命令错误:
- 在执行
EXEC
命令前,发送的指令本身就错误。如下:- 参数数量错误;
- 命令名称错误,使用了不存在的命令;
- 内存不足(Redis 实例使用
maxmemory
指令配置内存限制)。
- 在执行
EXEC
命令后,命令可能会失败。例如,命令和操作的数据类型不匹配(对 String 类型 的 value 执行了 List 列表操作); - 在执行事务的
EXEC
命令时。 Redis 实例发生了故障导致事务执行失败。
EXEC 执行前报错
在命令入队时,Redis 就会报错并且记录下这个错误。
此时,我们还能继续提交命令操作。
等到执行了 EXEC
命令之后,Redis 就会拒绝执行所有提交的命令操作,返回事务失败的结果。
这样一来,事务中的所有命令都不会再被执行了,保证了原子性。
如下是指令入队发生错误,导致事务失败的例子:
#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 执行后报错
事务操作入队时,命令和操作的数据类型不匹配,但 Redis 实例没有检查出错误。
但是,在执行完 EXEC 命令以后,Redis 实际执行这些指令,就会报错。
敲黑板了:Redis 虽然会对错误指令报错,但是事务依然会把正确的命令执行完,这时候事务的原子性就无法保证了!
码哥,为什么 Redis 不支持回滚?
其实,Redis 中并没有提供回滚机制。虽然 Redis 提供了 DISCARD 命令。
但是,这个命令只能用来主动放弃事务执行,把暂存的命令队列清空,起不到回滚的效果。
EXEC 执行时,发生故障
如果 Redis 开启了 AOF 日志,那么,只会有部分的事务操作被记录到 AOF 日志中。
我们需要使用 redis-check-aof 工具检查 AOF 日志文件,这个工具可以把未完成的事务操作从 AOF 文件中去除。
这样一来,我们使用 AOF 恢复实例后,事务操作不会再被执行,从而保证了原子性。
简单总结:
- 命令入队时就报错,会放弃事务执行,保证原子性;
- 命令入队时没报错,实际执行时报错,不保证原子性;
- EXEC 命令执行时实例故障,如果开启了 AOF 日志,可以保证原子性。
一致性
一致性会受到错误命令、实例故障发生时机的影响,按照命令出错实例故障两个维度的发生时机,可以分三种情况分析。
EXEC 执行前,入队报错
事务会被放弃执行,所以可以保证一致性。
EXEC 执行后,实际执行时报错
有错误的执行不会执行,正确的指令可以正常执行,一致性可以保证。
EXEC 执行时,实例故障
实例故障后会进行重启,这就和数据恢复的方式有关了,我们要根据实例是否开启了 RDB 或 AOF 来分情况讨论下。
如果我们没有开启 RDB 或 AOF,那么,实例故障重启后,数据都没有了,数据库是一致的。
如果我们使用了 RDB 快照,因为 RDB 快照不会在事务执行时执行。
所以,事务命令操作的结果不会被保存到 RDB 快照中,使用 RDB 快照进行恢复时,数据库里的数据也是一致的。
如果我们使用了 AOF 日志,而事务操作还没有被记录到 AOF 日志时,实例就发生了故障,那么,使用 AOF 日志恢复的数据库数据是一致的。
如果只有部分操作被记录到了 AOF 日志,我们可以使用 redis-check-aof 清除事务中已经完成的操作,数据库恢复后也是一致的。
隔离性
事务执行又可以分成命令入队(EXEC 命令执行前)和命令实际执行(EXEC 命令执行后)两个阶段。
所以在并发执行的时候我们针对这两个阶段分两种情况分析:
- 并发操作在
EXEC
命令前执行,隔离性需要通过WATCH
机制保证; - 并发操作在
EXEC
命令之后,隔离性可以保证。
码哥,什么是 WATCH 机制?
我们重点来看第一种情况:一个事务的 EXEC 命令还没有执行时,事务的命令操作是暂存在命令队列中的。
此时,如果有其它的并发操作,同样的 key 被修改,需要看事务是否使用了 WATCH
机制。
WATCH 机制的作用是:在事务执行前,监控一个或多个键的值变化情况,当事务调用 EXEC 命令执行时,WATCH 机制会先检查监控的键是否被其它客户端修改了。
如果修改了,就放弃事务执行,避免事务的隔离性被破坏。
同时,客户端可以再次执行事务,此时,如果没有并发修改事务数据的操作了,事务就能正常执行,隔离性也得到了保证。
没有 WATCH
如果没有 WATCH 机制, 在 EXEC 命令执行前的并发操作对数据读写。
当执行 EXEC 的时候,事务内部要操作的数据已经改变,Redis 并没有做到事务之间的隔离。
并发操作在 EXEC 之后接收执行
至于第二种情况,因为 Redis 是用单线程执行命令,而且,EXEC 命令执行后,Redis 会保证先把命令队列中的所有命令执行完再执行之后的指令。
所以,在这种情况下,并发操作不会破坏事务的隔离性。
持久性
如果 Redis 没有使用 RDB 或 AOF,那么事务的持久化属性肯定得不到保证。
如果 Redis 使用了 RDB 模式,那么,在一个事务执行后,而下一次的 RDB 快照还未执行前,如果发生了实例宕机,数据丢失,这种情况下,事务修改的数据也是不能保证持久化的。
如果 Redis 采用了 AOF 模式,因为 AOF 模式的三种配置选项 no、everysec 和 always 都会存在数据丢失的情况。
所以,事务的持久性属性也还是得不到保证。
不管 Redis 采用什么持久化模式,事务的持久性属性是得不到保证的。
总结
- Redis 具备了一定的原子性,但不支持回滚。
- Redis 不具备 ACID 中一致性的概念。(或者说 Redis 在设计时就无视这点)
- Redis 具备隔离性。
- Redis 无法保证持久性。
Redis 的事务机制可以保证一致性和隔离性,但是无法保证持久性。
不过,因为 Redis 本身是内存数据库,持久性并不是一个必须的属性,我们更加关注的还是原子性、一致性和隔离性这三个属性。
原子性的情况比较复杂,当事务中使用的命令语法有误时,原子性得不到保证,在其它情况下,事务都可以原子性执行。
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