Redis核心技术与实战【学习笔记】 - 22.浅谈Redis的ACID相关知识

概述

事务是数据库的一个重要功能。所谓的事务，就是指对数据进行读写的一系列操作。事务在执行时，会提供专门的属性保证，包括原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolation）和持久性（Durability），也就是 ACID 属性。这些属性既包括了对事务执行结果的
要求，也有对数据库在执行前后的数据状态变化的要求。

我们先了解下 ACID 属性对事务执行的具体要求，有了这个知识基础后，我们才能准确地判断 Redis 的事务机制能够保证 ACID 属性。

1.事务 ACID 属性的要求

首先来看原子性。原子性的要求很明确，就是一个事务中的多个操作必须都完成，或者二都不完成。业务应用使用事务时，原子性也是被看重的一个属性。

假如用户在一个订单中购买了商品 A 和 B，那么数据库就需要把这两个商品的库存都进行扣减。如果只扣减了一个商品的库存，那么这个订单完成后，另一个商品的库存肯定就放错了。

第二个属性是一致性。这个很容易理解，就是指数据库中的事务执行前后是一致的。

第三个属性是隔离性。它要求数据库在执行一个事务时，其他操作无法存取到正在执行事务访问的数据。

还是用户下单的例子。假设商品 A 和 B 的现有库存分别是 5 和 10，用户 X 对 A、B 下单的数量分别是 3、6。如果事务不具备隔离性，在用户 X 下单事务执行的过程中，用户 Y 一下子购买了 5 件 B，这和 X 购买的 6 件 B 累加后，就超过 B 的总库存值了，这就不符合业务要求了。

最后一个属性是持久性。数据库执行事务后，数据的修改要被持久化保存下来。当数据重启后，数据的值需要是被修改后的值。

了解了 ACID 属性的具体要求后，我们看下 Redis 是如何实现事务机制的。

2. Redis 如何实现事务？

Redis 提供了 MULTI、EXEC 两个命令来完成这三个步骤。我们来分析下：

第一步，客户端要使用一个命令显示地表示一个事务的开启。在 Redis 中，这个命令就是 MULTI。
第二步，客户端把事务本身要执行的具体操作（例如增删改数据）发送给服务端执行。这些操作就是 Redis 本身提供的数据读写命令，例如 GET、SET 等。不过，这些命令虽然被客户端发送到了服务端，但 Redis 实例只是把这些命令暂存到一个命令队列中，并不会立即执行
第三步，客户端向服务器发送提交事务的命令，让数据库实际执行第二步发送的具体操作。Redis 提供的 EXEC 命令就是执行事务提交的。当服务器收到 EXEC 命令后，才会实际执行命令队列中的所有命令。

下面的代码显示了使用 MULTI、EXEC 执行一个事务的过程。

# 开启事务
127.0.0.1:6379> MULTI 
OK
#将a:stock减1， 
127.0.0.1:6379> DECR a:stock 
QUEUED 
#将b:stock减1 
127.0.0.1:6379> DECR b:stock 
QUEUED 
#实际执行事务 
127.0.0.1:6379> EXEC 
1) (integer) 4 
2) (integer) 9

假设 a:stock、 b:stock 两个键的初始值是 5 和 10.在 MULTI 命令后执行的两个 DECR 命令，是把 a:stock、 b:stock 两个键的值分别减 1，他们执行后的返回结果都是 QUEUED，这就表示这些操作都被暂存到了命令队列，还没有实际执行。等到执行了 EXEC 命令后，可以看到返回了 4、9，这就表明，两个 DECR 命令以及成功地执行了。

好了，通过使用 MULTI 和 EXEC 命令，我们可以实现多个操作的共同执行，但是这符合 ACID 属性吗？我们来分析下。

3. Redis 的事务机制能保证哪些属性？

3.1原子性

如果事务正常执行，没有发生任何错误，那么 MULTI 和 EXEC 配合使用，就可以保证多个操作都完成。

但是，如果事务执行发生错误了，原子性是否还能保证？我们分三种情况来分析。

第一种情况

在执行 EXEC 命令前，客户端发送的操作命令本身有错误（比如语法错，使用了不存在的命令），在命令入队时就被 Redis 实例判断出来了。

对于这种情况，在命令入队时，Redis 就会报错，并且记录下这个错误。此时，还能继续提交命令。等到执行 EXEC 命令之后，Redis 就会拒绝执行所有提交的命令，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执行了，保证了原子性。

#开启事务
127.0.0.1:6379> 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(TX)> PUT a:stock 5
(error) ERR unknown command `PUT`, with args beginning with: `a:stock`, `5`,
#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
127.0.0.1:6379(TX)> 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
127.0.0.1:6379(TX)> EXEC
(error) EXECABORT Transaction discarded because of previous errors.
127.0.0.1:6379>

在这个例子中，事务里包含了一个 Redis 本身不支持的 PUT 命令，所以在 PUT 命令入队时，Redis 就报错了。虽然，事务里还有一个正确的 DECR 命令，但是，在最后执行 EXEC 后，整个事务就放弃执行了。

第二种情况

和第一种情况不同，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。在执行完 EXEC 命令以后，Redis 实际执行这些事务操作时，就会报错。不过，需要注意的是，虽然 Redis 会对命令报错，但是还会把正确的命令执行完。在这种情况下，事务的原子性就无法得到保证了。

举个例子。事务中的 LPOP 命令对 String 类型数据进行操作，入队时没有报错，但是在 EXEC 执行时报错了。LPOP 命令本身没有执行成功，但是事务中的 DECR 命令却执行成功了。

#开启事务
127.0.0.1:6379> MULTI
OK
#发送事务中的第一个操作，LPOP命令操作的数据类型不匹配，此时并不报错
127.0.0.1:6379(TX)> LPOP a:stock
QUEUED
#发送事务中的第二个操作
127.0.0.1:6379(TX)> DECR b:stock
QUEUED
#实际执行事务，事务第一个操作执行报错，第二个操作成功执行
127.0.0.1:6379(TX)> EXEC
1) (error) WRONGTYPE Operation against a key holding the wrong kind of value
2) (integer) 8

你可能会有疑问？刚才的例子中，如果命令执行时报错了，是不是可以用回滚机制回复原来的数据呢？

其实 Redis 中并没有提供回滚机制。虽然提供了 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。

DISCARD 命令的具体例子，我们来看下

#读取a:stock的值4
127.0.0.1:6379> GET a:stock
"4"
#开启事务
127.0.0.1:6379> MULTI
OK
#发送事务的第一个操作，对a:stock减1
127.0.0.1:6379(TX)> DECR a:stock
QUEUED
#执行DISCARD命令，主动放弃事务。执行完DISCARD放弃事务后，就不需要再执行EXEC了。
127.0.0.1:6379(TX)> DISCARD
OK
#再次读取a:stock的值，值没有被修改
127.0.0.1:6379> GET a:stock
"4"

这个例子中，a:stock 键的值一开始为 4，然后，我们执行一个事务，想对 a:stock 的值减 1。但是，在事务的最后，我们执行的是 DISCARD 命令，所以事务就被放弃了。我们再看 a:stock 的值，会发现仍为 4。

第三种情况

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。

在这种情况下，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。

当然，如果 AOF 日志并没有开启，那么实例重启后，数据也都没法恢复，此时，也就谈不上原子性了。

简单小结下

命令入队时报错，会放弃事务执行，保证了原子性
命令入队未报错，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，可以通过 redis-check-aof 去除 AOF 日志中的未完成事务，保证原子性。

3.2 一致性

我们按照命令出错和实例故障的发生时机，分成三种情况来看。

情况一：命令入队时就报错。这种情况下，事务不会被执行，所以保证数据库的一致性。
情况二：命令入队时没报错，实际执行时报错。在这种情况下，有错误的命令不会被执行，正确的命令正常执行，也不会改变数据库的一致性。
情况三：EXEC 命令执行时实例发生故障。在这种情况下，实例故障后会进行重启，这就和数据恢复方式有关了。我们要根据 AOF 和 RDB 来分情况讨论。

如果没有开启 AOF 和 RDB，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，数据库例的数据也是一致的。

如果使用了 AOF 日志，而事务操作还没有被记录到 AOF 日志时，实例就发送了故障，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。

所以总结来说，在命令执行错误或 Redis 发生故障的情况下，Redis 事务机制对一致性属性是有保证的。

3.3 隔离性

事务的隔离性保证，会受到和事务一起执行的并发操作的影响。而事务又可以分成命令入队和命令实际执行两个阶段。

并发操作在 EXEC 命令执行前，此时隔离性的保证要使用 WATCH 机制来实现，否则，隔离性无法保证。
并发操作在 EXEC 命令后执行，此时隔离性可以保证。

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，如果有其他的并发操作，就需要看看事务是否使用了 WATCH 机制了。

WATCH 机制的作用是，在事情执行前，监控一个或多个键值变化情况，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他客户端修改了。如果修改了，就放弃执行事务，避免事务的隔离性被破坏。然后，客户端可以再次执行事务，此时，如果没有并发修改是无数据的操作了，事务就能正常执行，隔离性也得到了保证。

下图的例子，有助于进一步理解 WATCH 命令的使用。
在这里插入图片描述

在 t1 时刻，客户端 X 项实例发送了 WATCH 命令。实例收到 WATCH 命令后，开始检测 a:stock 的值变化情况。
在 t2 时，客户端 X 把 MULTI 命令和 DECR 命令发送给实例，实例把 DECR 命令暂存如命令队列。
在 t3 时，客户端 Y 也给实例发送了一个 DECR 命令，修改 a:stock 的值，实例收到命令后就执行了。
t4 时刻，实例收到客户端 X 发送的 EXEC 命令，但是，实例的 WATCH 机制发现 a:stcok 已经被修改了，就会放弃执行事务。这样一来，隔离性就得到了保证。

客户端 X 在 EXEC 前分别执行了 WATCH、MULTI、DECR 命令

127.0.0.1:6379> WATCH a:stock
OK
127.0.0.1:6379> MULTI
OK
127.0.0.1:6379(TX)> DECR a:stock
QUEUED

此时客户端 Y 执行了 DECR

127.0.0.1:6379> decr a:stock
(integer) 5

最后，客户端 X 执行 EXEC 命令，返回 nil

127.0.0.1:6379(TX)> EXEC
(nil)

当然，如果没有使用 WATCH 机制，在 EXEC 命令前执行的并发操作是会对数据进行读写的。而且，在执行 EXEC 的命令时，事务要操作的数据已经改变了，在这种情况下 Redis 并没有做到让事务对其他操作隔离，隔离性也就没有得到保障。

在这里插入图片描述
在 t2 时刻，客户端 X 发送的 EXEC 还没有执行，但是客户端 Y 的 DECR 命令就执行了，此时，a:stock 的值被修改了，这样就无法保证 X 发起的事务的隔离性了。

第二种情况：并发操作在 EXEC 命令之后被服务器端接收并执行

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。所以，在这种情况下，并发操作不会破坏事务的隔离性。

在这里插入图片描述

3.4 持久性

因为 Redis 是内存数据库，所以，数据是否持久化保存完全取决于 Redis 的持久化配置模式。

如果 Redis 没有配置 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，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。

所以，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。

4.小结

本节，学习 Redis 中的事务实现。Redis 通过 MULTI、EXEC、DISCARD 和 WATCH 四个命令来支持事务。

命令	作用
MULTI	开启一个事务
EXEC	提交事务，从命令队列中取出提交的命令，进行实际执行
DISCARD	放弃一个事务，清空命令队列
WATCH	检查一个或多个键的值在事务执行期间是否发生变化，如果发生变化，那么当前事务放弃执行

Redis 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 本身就是内存数据库，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。

原子性比较复杂，只有当事务中使用的语法有误时，原子性得不到保证，在其他情况下，事务都可以原子性的执行。

所以，给你一个小建议：严格按照 Redis 命令规范进行程序开发，并且通过 code review 确保命令的正确性。