Redis 事务机制之ACID属性

事务属性

事务是对数据库进行读写的一系列操作。在事务执行时提供ACID属性保证： 包括原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolation）和持久性（Durability）。

  • 原子性（Atomicity）： 事务中多个操作要么全部成功，要么全部失败。
  • 一致性（Consistency）： 数据库中的数据在事务执行前后是一致的。
  • 隔离性（Isolation）： 一个事务的执行不被其他事务影响。
  • 持久性（Durability）：数据库执行事务后，数据的修改被持久化保存。

Redis 中的事务如何工作：

  • Redis 事务允许在一个步骤中执行一组命令，Redis提供了事务相关的命令： MULTI 、 EXEC、 DISCARD、WATCH。
  • Redis 事务做了两个重要的保证:
    1）事务中的所有命令都被序列化并按顺序执行。另一个客户端发送的请求永远不会在执行Redis事务的过程中被服务。这保证了命令作为单个隔离操作执行。
    2）EXEC命令触发事务中所有命令的执行，因此，如果客户机在调用EXEC命令之前在事务的上下文中失去与服务器的连接，则不会执行任何操作，相反，如果调用EXEC命令，则执行所有操作。

原子性（Atomicity）

Redis事务机制是否能够保证原子性? 在事务期间，可能会遇到两种命令错误：

  • 命令可能无法排队，因此在调用EXEC之前可能会出现错误。例如，该命令可能在语法上是错误的(参数数量错误，命令名称错误，…)，或者使用不存在的命令，或者可能存在一些关键条件，如内存不足条件(如果服务器使用maxmemory指令配置了内存限制)。
# 开启事务
192.168.88.11:6380> multi
OK

# 语法错误，redis不支持该命令
192.168.88.11:6380> sett key hello 
(error) ERR unknown command `sett`, with args beginning with: `key`, `hello`, 

# 正确命令，Redis命令入队
192.168.88.11:6380> incr counter 
QUEUED

# 执行事务，因之前命令有错，事务无法执行
192.168.88.11:6380> exec
(error) EXECABORT Transaction discarded because of previous errors.

# 键counter为空
192.168.88.11:6380> get counter
(nil)
  • 在调用EXEC之后，命令可能会失败，例如我们对具有错误值的键执行了操作(例如对字符串值调用列表操作)。即命令和操作的数据类型不匹配。但Redis实例并没有检查出错误。这种属于运行时错误，Redis在执行这些事务操作时就会报错。
    需要注意的是， 即使命令失败，队列中的所有其他命令也会被处理——Redis 不会停止命令的处理。
    需要注意的是， 即使命令失败，队列中的所有其他命令也会被处理——Redis 不会停止命令的处理。
    需要注意的是， 即使命令失败，队列中的所有其他命令也会被处理——Redis 不会停止命令的处理。
# 键 k1 为字符串类型
192.168.88.11:6380> type k1
string

# k1 当前值为 hello 
192.168.88.11:6380> get k1
"hello"

# 开启事务
192.168.88.11:6380> multi 
OK

# 对 k1 字符串类型调用列表操作： LPUSH，此时并不报错
192.168.88.11:6380> LPUSH k1 1
QUEUED

# 继续执行append操作
192.168.88.11:6380> APPEND k1 world
QUEUED

# 执行事务，第一个操作报错，第二个操作正常执行
192.168.88.11:6380> exec
1) (error) WRONGTYPE Operation against a key holding the wrong kind of value
2) (integer) 10

# k1 的傎已修改
192.168.88.11:6380> get k1
"helloworld"

Redis 不支持事务回滚，因为支持回滚会对 Redis 的简单性和性能产生重大影响。虽然 Redis 提供了 DISCARD 命令，DISCARD可用于中止事务。丢弃命令队列。 此时，不会执行任何命令，连接状态恢复正常。起不到回滚的效果。

DISCARD可用于中止事务。丢弃命令队列。不是回滚命令。
DISCARD可用于中止事务。丢弃命令队列。不是回滚命令。
DISCARD可用于中止事务。丢弃命令队列。不是回滚命令。

# 设置foo的值为1
192.168.88.11:6380> SET foo 1
OK

# 开启事务
192.168.88.11:6380> MULTI
OK

# 自增操作
192.168.88.11:6380> INCR foo
QUEUED

# 执行DISCARD 命令，放弃事务
192.168.88.11:6380> DISCARD
OK

# 再次读取foo值，值没有被修改
192.168.88.11:6380> GET foo
"1"
  • 如果在执行事务 EXEC 命令时，Redis实例或机器意外故障。导致事务执行失败。
    1）如果没有开启AOF，操作日志不会被记录，数据丢弃。
    2）如果有开启AOF，AOF 日志是仅追加日志，断电时也不会出现损坏问题。即使由于某种原因（磁盘已满或其他原因）日志以半写命令结束，redis-check-aof 工具也能够轻松修复它。

如果 AOF 被截断，该怎么办？
当 aof-load-truncated 启用时，AOF 中的最后一个命令可能会被截断。Redis 的最新主要版本无论如何都能够加载 AOF，只是丢弃文件中最后一个格式不正确的命令。在这种情况下，会有下面日志：此时事务操作不会再被执行，从而保证原子性。

2213:M 22 Feb 2024 14:40:08.204 # !!! Warning: short read while loading the AOF file !!!
2213:M 22 Feb 2024 14:40:08.204 # !!! Truncating the AOF at offset 237 !!!
2213:M 22 Feb 2024 14:40:08.204 # AOF loaded anyway because aof-load-truncated is enabled
2213:M 22 Feb 2024 14:40:08.204 * DB loaded from append only file: 0.000 seconds

当 aof-load-truncated 未启用时，Redis无法启动，会有下面的日志：

2302:M 22 Feb 2024 14:56:13.638 # Unexpected end of file reading the append only file. You can: 1) Make a backup of your AOF file, then use ./redis-check-aof --fix <filename>. 2) Alternatively you can set the 'aof-load-truncated' configuration option to yes and restart the server.

需要使用 redis-check-aof 工具修复AOF 日志文件，把未完成的事务操作从 AOF 文件中删除。通过AOF 恢复实例后，事务操作不会再被执行，保证了原子性。

执行以下步骤进行恢复：

root@ubuntu-x64_01:/data/redis/data# cp appendonly.aof appendonly.aof.bak

制作 AOF 文件的备份副本。

使用Redis附带的redis-check-aof 工具修复原始文件：

root@ubuntu-x64_01:/data/redis/data# redis-check-aof --fix appendonly.aof
0x              f5: Expected to read 6 bytes, got 0 bytes
AOF analyzed: size=245, ok_up_to=166, diff=79
This will shrink the AOF from 245 bytes, with 79 bytes, to 166 bytes
Continue? [y/N]: y
Successfully truncated AOF

所以Redis对事务原子性属性不同场景下会不同。具体如下:
1）如果命令语法错误、在命令入队就报错，事务将无法执行，保证了原子性。
2）如果命令本身正确，命令入队成功。但实际执行时报错。无法保证原子性。
3）如果EXEC命令执行时实例故障。此时有开启AOF，可以保证原子性。

综合上面场景：
当命令入队时没报错，实际执行时报错，运行时错误。不能保证原子性！！！
当命令入队时没报错，实际执行时报错，运行时错误。不能保证原子性！！！
当命令入队时没报错，实际执行时报错，运行时错误。不能保证原子性！！！

在这里插入图片描述

一致性（Consistency）

事务的一致性要看具体场景，事务在执行时可能会有错误命令、参数数量错误、实例故障等因素影响。

1) 调用EXEC之前出现错误
即命令入队时报错，例如，该命令可能在语法上是错误的(参数数量错误，命令名称错误，…)，或者使用不存在的命令。这种情况下，事务本身不会被执行，可以保证一致性。

在这里插入图片描述
2）调用EXEC之后出现错误
在调用EXEC之后，命令可能会失败，例如，由于我们对具有错误值的键执行了操作(例如对字符串值调用列表操作)，在这种情况下，有错误的命令不会执行，正确的命令成功执行。不影响数据的一致性。

在这里插入图片描述

  1. 执行事务 EXEC 命令实例故障
    如果在执行事务 EXEC 命令时，Redis实例或机器意外故障。导致事务执行失败。要根据是否持久化分场景分析：
    3.1）如果没有持久化（即没开启RDB和AOF)，无持久化无数据。数据是一致的。
    3.2）如果有RDB持久化，事务执行时RDB快照不会执行。数据是一致的。
    3.3）如果有AOF持久化，事务可能没被记录或记录不完整（使用Redis附带的redis-check-aof 工具修复原始文件），数据是一致的。

综合上面场景：
当命令语法错误、命令执行错误 或 Redis发生意外故障场景下。Redis事务机制对一致性属性有保证的。
在这里插入图片描述

隔离性（Isolation）

事务是在EXEC命令后才能真正执行，EXEC命令之前，命令会先进入队列。 分两种场景来分析：

1）调用EXEC之前

事务在 EXEC 命令前执行，命令操作是暂存在命令队列，并没有真正执行，此时。隔离性使用 WATCH 机制来实现保证 。

WATCH用于为 Redis 事务提供检查和设置 (CAS) 行为。

监视键是为了检测针对它们的更改。如果在执行EXEC命令之前至少修改了一个被监视的键，那么整个事务将终止，EXEC将返回一个Null应答来通知事务失败。

比如，我们要对键 foo 加 10 操作：

只有当我们有一个客户端在给定时间内执行操作时，这才会可靠地工作。如果多个客户端同时尝试增加键，就会出现竞争条件。例如，客户端A和B将读取旧值，例如：1。两个客户端都将该值增加到11，并最终设置为键的值。所以最后的值是11而不是21。
在这里插入图片描述

此时，我们需要使用WATCH命令来确保检测旧值没有其它客户端修改过，如果修改了，存在竞争条件，在调用WATCH和调用EXEC之间的时间内，另一个客户端修改了val的结果，则事务将失败。否则事务就能正常执行。

我们只需要重复这个操作，希望这次不会出现新的竞争。这种形式的锁定称为乐观锁定。在许多用例中，多个客户端将访问不同的键，因此不太可能发生冲突，通常不需要重复操作。

# 客户端1 
192.168.88.11:6380> CLIENT ID
(integer) 13

192.168.88.11:6380> set key "java"
OK
 
192.168.88.11:6380> watch key 
OK
192.168.88.11:6380> multi
OK

192.168.88.11:6380> append key go
QUEUED
192.168.88.11:6380> exec
(nil)

192.168.88.11:6380> get key 
"javapython"

# -----------------------------------------------

# 客户端 2 
192.168.88.11:6380> CLIENT ID
(integer) 14

# 此步骤在 客户1 开启事务后 执行 
192.168.88.11:6380> append key python
(integer) 10

192.168.88.11:6380> get key 
"javapython"

在这里插入图片描述

2）调用EXEC之后

因为Redis主线程是单线程执行命令，EXEC命令执行后，Redis会先执行命令队列中的所有命令执行完。再处理其它客户请求操作命令。所以这种情况不会影响事务的隔离性。

在这里插入图片描述

综上场景，使用WATCH命令在事务执行前，检测它们的更改。如果在执行EXEC命令之前至少修改了一个被监视的键，那么整个事务将终止，EXEC将返回一个Null应答来通知事务失败，避免事务的隔离性被破坏。如果在EXEC命令之后执行，Redis会保证先把命令队列中的所有命令执行完。不会破坏事务的隔离性。

在这里插入图片描述

持久性（Durability）

事务的持久性取决于Redis持久化配置，如果Redis没有配置RDB和AOF持久化，无持久化无数据。无持久性保证。那么事务属性肯定得不到保证。如果配置了持久性，根据不同的场景分析如下：

1）如果有RDB持久化，事务执行后，RDB快照还未执行就故障。无持久性保证。
2）如果有AOF持久化，取决于三种配置(no、everysec、alway）都存在数据丢失的情况，无持久性保证。

综上，不管是哪种模式，持久性都无法保证。 Redis本身是内存数据库，持久性并不是必须的属性。

在这里插入图片描述

小结

1）Redis事务ACID属性可以保证一致性和隔离性。但是无法保证原子性、持久性（由于Redis本身是内存数据库），持久性并不是必须的属性。一般关注ACI属性。
2）Redis的原子性在使用时较复杂，请参考官方文档操作命令，要确保命令运行正确，否则原子性无法得到保证。
3）在使用事务时，可以结合 pileline 一次发出多个命令而无需等待每个命令的响应来提高性能、或使用LUA脚本。
4）事务还需要考虑其它的，比如redis中的操作是redis脚本，它是事务性的。Redis 事务做的所有事情，你也可以用脚本来做，而且通常脚本会更简单、更快。

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