Redis 的事务满足原子性吗？

冷不防 2024-03-22 16:53 116阅读 0赞

谈起数据库的事务来，估计很多同学的第一反应都是 `ACID`，而排在 `ACID` 中首位的 `A` 原子性，要求一个事务中的所有操作，要么全部完成，要么全部不完成。熟悉 redis 的同学肯定知道，在 redis 中也存在事务，那么它的事务也满足原子性吗？下面我们就来一探究竟。

#### 什么是 Redis 事务？ ####

和数据库事务类似，redis 事务也是用来一次性地执行多条命令。使用起来也很简单，可以用 `MULTI` 开启一个事务，然后将多个命令入队到事务的队列中，最后由 `EXEC` 命令触发事务，执行事务中的所有命令。看一个简单的事务执行例子：

127.0.0.1:6379> multi
    OK
    127.0.0.1:6379> set name Hydra
    QUEUED
    127.0.0.1:6379> set age 18
    QUEUED
    127.0.0.1:6379> incr age
    QUEUED
    127.0.0.1:6379> exec
    1) OK
    2) OK
    3) (integer) 19

可以看到，在指令和操作数的数据类型等都正常的情况下，输入 `EXEC` 后所有命令被执行成功。

#### Redis 事务满足原子性吗？ ####

如果要验证 redis 事务是否满足原子性，那么需要在 redis 事务执行发生异常的情况下进行，下面我们分两种不同类型的错误分别测试。

语法错误

首先测试命令中有语法错误的情况，这种情况多为命令的参数个数不正确或输入的命令本身存在错误。下面我们在事务中输入一个存在格式错误的命令，开启事务并依次输入下面的命令：

127.0.0.1:6379> multi
    OK
    127.0.0.1:6379> set name Hydra
    QUEUED
    127.0.0.1:6379> incr
    (error) ERR wrong number of arguments for 'incr' command
    127.0.0.1:6379> set age 18
    QUEUED

输入的命令 `incr` 后面没有添加参数，属于命令格式不对的语法错误，这时在命令入队时就会立刻检测出错误并提示 `error`。使用 `exec` 执行事务，查看结果输出：

127.0.0.1:6379> exec
    (error) EXECABORT Transaction discarded because of previous errors.

在这种情况下，只要事务中的一条命令有语法错误，在执行 `exec` 后就会直接返回错误，包括语法正确的命令在内的所有命令都不会被执行。对此进行验证，看一下在事务中其他指令执行情况，查看 `set` 命令的执行结果，全部为空，说明指令没有被执行。

127.0.0.1:6379> get name
    (nil)
    127.0.0.1:6379> get age
    (nil)

此外，如果存在命令本身拼写错误、或输入了一个不存在的命令等情况，也属于语法错误的情况，执行事务时会直接报错。

运行错误

运行错误是指输入的指令格式正确，但是在命令执行期间出现的错误，典型场景是当输入参数的数据类型不符合命令的参数要求时，就会发生运行错误。例如下面的例子中，对一个 `string` 类型的值执行列表的操作，报错如下：

127.0.0.1:6379> set key1 value1
    OK
    127.0.0.1:6379> lpush key1 value2
    (error) WRONGTYPE Operation against a key holding the wrong kind of value

这种错误在 redis 实际执行指令前是无法被发现的，只能当真正执行才能够被发现，因此这样的命令是可以被事务队列接收的，不会和上面的语法错误一样立即报错。

具体看一下当事务中存在运行错误的情况，在下面的事务中，尝试对 `string` 类型数据进行 `incr` 自增操作：

127.0.0.1:6379> multi
    OK
    127.0.0.1:6379> set name Hydra
    QUEUED
    127.0.0.1:6379> set age eighteen
    QUEUED
    127.0.0.1:6379> incr age
    QUEUED
    127.0.0.1:6379> del name
    QUEUED

redis 一直到这里都没有提示存在错误，执行 `exec` 看一下结果输出：

127.0.0.1:6379> exec
    1) OK
    2) OK
    3) (error) ERR value is not an integer or out of range
    4) (integer) 1

运行结果可以看到，虽然 `incr age` 这条命令出现了错误，但是它前后的命令都正常执行了，再看一下这些 `key` 对应的值，确实证明了其余指令都执行成功：

127.0.0.1:6379> get name
    (nil)
    127.0.0.1:6379> get age
    "eighteen"

阶段性结论

对上面的事务的运行结果进行一下分析：

*  存在**语法错误**的情况下，所有命令都不会执行
 *  存在**运行错误**的情况下，除执行中出现错误的命令外，其他命令都能正常执行

通过分析我们知道了 redis 中的事务是不满足原子性的，在运行错误的情况下，并没有提供类似数据库中的回滚功能。那么为什么 redis 不支持回滚呢，官方文档给出了说明，大意如下：

*  redis 命令失败只会发生在语法错误或数据类型错误的情况，这一结果都是由编程过程中的错误导致，这种情况应该在开发环境中检测出来，而不是生产环境
 *  不使用回滚，能使 redis 内部设计更简单，速度更快
 *  回滚不能避免编程逻辑中的错误，如果想要将一个键的值增加 2 却只增加了 1，这种情况即使提供回滚也无法提供帮助

基于以上原因，redis 官方选择了更简单、更快的方法，不支持错误回滚。这样的话，如果在我们的业务场景中需要保证原子性，那么就要求了开发者通过其他手段保证命令全部执行成功或失败，例如在执行命令前进行参数类型的校验，或在事务执行出现错误时及时做事务补偿。

提到其他方式，相信很多小伙伴都听说**使用 Lua 脚本来保证操作的原子性**，例如在分布式锁中通常使用的就是 `Lua` 脚本，那么，神奇的 `Lua` 脚本真的能保证原子性吗？

#### 简单的 Lua 脚本入门 ####

在验证 lua 脚本的原子性之前，我们需要对它做一个简单的了解。redis 从 2.6 版本开始支持执行 lua 脚本，它的功能和事务非常类似，一段 lua 脚本被视作一条命令执行，这样将多条 redis 命令写入 lua，即可实现类似事务的执行结果。我们先看一下下面几个常用的命令。

EVAL 命令

最常用的 `EVAL` 用于执行一段脚本，它的命令的格式如下：

EVAL script numkeys key [key ...] arg [arg ...]

简单解释一下其中的参数：

*  `script` 是一段 lua 脚本程序
 *  `numkeys` 指定后续参数有几个 `key`，如没有 `key` 则为 0
 *  `key [key …]` 表示脚本中用到的 redis 中的键，在 lua 脚本中通过 `KEYS[i]` 的形式获取
 *  `arg [arg …]` 表示附加参数，在 lua 脚本中通过 `ARGV[i]` 获取

看一个简单的例子：

127.0.0.1:6379> eval "return {KEYS[1],KEYS[2],ARGV[1],ARGV[2]}" 2 key1 key2 value1 vauel2
    1) "key1"
    2) "key2"
    3) "value1"
    4) "vauel2"

在上面的命令中，双引号中是 lua 脚本程序，后面的 2 表示存在两个 key，分别是 `key1` 和 `key2`，之后的参数是附加参数 `value1` 和 `value2`。

如果想要使用 lua 脚本执行 `set` 命令，可以写成这样：

127.0.0.1:6379> EVAL "redis.call('SET', KEYS[1], ARGV[1]);" 1 name Hydra
    (nil)

这里使用了 redis 内置的 lua 函数 `redis.call` 来完成 `set` 命令，这里打印的执行结果 `nil` 是因为没有返回值，如果不习惯的话，其实我们可以在脚本中添加 `return 0;` 的返回语句。

SCRIPT LOAD 和 EVALSHA 命令

这两个命令放在一起是因为它们一般成对使用。先看 `SCRIPT LOAD`，它用于把脚本加载到缓存中，返回 `SHA1` 校验和，这时候只是缓存了命令，但是命令没有被马上执行，看一个例子：

127.0.0.1:6379> SCRIPT LOAD "return redis.call('GET', KEYS[1]);"
    "228d85f44a89b14a5cdb768a29c4c4d907133f56"

这里返回了一个 `SHA1` 的校验和，接下来就可以使用 `EVALSHA` 来执行脚本了：

127.0.0.1:6379> EVALSHA "228d85f44a89b14a5cdb768a29c4c4d907133f56" 1 name
    "Hydra"

这里使用这个 `SHA1` 值就相当于导入了上面缓存的命令，在之后再拼接 `numkeys`、`key`、`arg` 等参数，命令就能够正常执行了。

其他命令

使用 `SCRIPT EXISTS` 命令判断脚本是否被缓存：

127.0.0.1:6379> SCRIPT EXISTS 228d85f44a89b14a5cdb768a29c4c4d907133f56
    1) (integer) 1

使用 `SCRIPT FLUSH` 命令清除 redis 中的 lua 脚本缓存：

127.0.0.1:6379> SCRIPT FLUSH
    OK
    127.0.0.1:6379> SCRIPT EXISTS 228d85f44a89b14a5cdb768a29c4c4d907133f56
    1) (integer) 0

可以看到，执行了 `SCRIPT FLUSH` 后，再次通过 `SHA1` 值查看脚本时已经不存在。最后，还可以使用 `SCRIPT KILL` 命令杀死当前正在运行的 lua 脚本，但是只有当脚本没有执行写操作时才会生效。

从这些操作看来，lua 脚本具有下面的优点：

*  多次网络请求可以在一次请求中完成，减少网络开销，减少了网络延迟
 *  客户端发送的脚本会存在 redis 中，其他客户端可以复用这一脚本，而不需要再重复编码完成相同的逻辑

Java 代码中使用 lua 脚本

在 Java 代码中可以使用 Jedis 中封装好的 API 来执行 lua 脚本，下面是一个使用 Jedis 执行 lua 脚本的例子：

public static void main(String[] args) {
        Jedis jedis = new Jedis("127.0.0.1", 6379);
        String script="redis.call('SET', KEYS[1], ARGV[1]);"
                +"return redis.call('GET', KEYS[1]);";
        List<String> keys= Arrays.asList("age");
        List<String> values= Arrays.asList("eighteen");
        Object result = jedis.eval(script, keys, values);
        System.out.println(result);
    }

执行上面的代码，控制台打印了 `get` 命令返回的结果：

eighteen

简单的铺垫完成后，我们来看一下 lua 脚本究竟能否实现回滚级别的原子性。对上面的代码进行改造，插入一条运行错误的命令：

public static void main(String[] args) {
        Jedis jedis = new Jedis("127.0.0.1", 6379);
        String script="redis.call('SET', KEYS[1], ARGV[1]);"
                +"redis.call('INCR', KEYS[1]);"
                +"return redis.call('GET', KEYS[1]);";
        List<String> keys= Arrays.asList("age");
        List<String> values= Arrays.asList("eighteen");
        Object result = jedis.eval(script, keys, values);
        System.out.println(result);
    }

再到客户端执行一下 get 命令：

127.0.0.1:6379> get age
    "eighteen"

也就是说，虽然程序抛出了异常，但异常前的命令还是被正常的执行了且没有被回滚。再试试直接在 redis 客户端中运行这条指令：

127.0.0.1:6379> flushall
    OK
    127.0.0.1:6379> eval "redis.call('SET', KEYS[1], ARGV[1]);redis.call('INCR', KEYS[1]);return redis.call('GET', KEYS[1])" 1 age eight
    (error) ERR Error running script (call to f_c2ea9d5c8f60735ecbedb47efd42c834554b9b3b): @user_script:1: ERR value is not an integer or out of range
    127.0.0.1:6379> get age
    "eight"

同样，错误之前的指令仍然没有被回滚，那么我们之前经常听说的 `Lua` 脚本保证原子性操作究竟是怎么回事呢？

其实，在 redis 中是使用的同一个 lua 解释器来执行所有命令，也就保证了当一段 lua 脚本在执行时，不会有其他脚本或 redis 命令同时执行，保证了操作不会被其他指令插入或打扰，实现的仅仅是这种程度上的原子性。

但是遗憾的是，如果脚本运行时出错并中途结束，之后的操作不会进行，但是之前已经发生的写操作不会撤销，所以即使使用了 lua 脚本，也不能实现类似数据库回滚的原子性。