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面试官:Redis 的事务满足原子性吗?

作者:码农参上
  • 2022 年 4 月 11 日
  • 本文字数:4280 字

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面试官:Redis的事务满足原子性吗?

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> multiOK127.0.0.1:6379> set name HydraQUEUED127.0.0.1:6379> set age 18QUEUED127.0.0.1:6379> incr ageQUEUED127.0.0.1:6379> exec1) OK2) OK3) (integer) 19
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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> multiOK127.0.0.1:6379> set name HydraQUEUED127.0.0.1:6379> incr(error) ERR wrong number of arguments for 'incr' command127.0.0.1:6379> set age 18QUEUED
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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.
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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)
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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 value1OK127.0.0.1:6379> lpush key1 value2(error) WRONGTYPE Operation against a key holding the wrong kind of value
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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> multiOK127.0.0.1:6379> set name HydraQUEUED127.0.0.1:6379> set age eighteenQUEUED127.0.0.1:6379> incr ageQUEUED127.0.0.1:6379> del nameQUEUED
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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> exec1) OK2) OK3) (error) ERR value is not an integer or out of range4) (integer) 1
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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"
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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 ...] 
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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 vauel21) "key1"2) "key2"3) "value1"4) "vauel2"
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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key1key2,之后的参数是附加参数value1value2


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)
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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"
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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"
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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numkeyskeyarg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 228d85f44a89b14a5cdb768a29c4c4d907133f561) (integer) 1
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使用SCRIPT FLUSH命令清除 redis 中的 lua 脚本缓存:


127.0.0.1:6379> SCRIPT FLUSHOK127.0.0.1:6379> SCRIPT EXISTS 228d85f44a89b14a5cdb768a29c4c4d907133f561) (integer) 0
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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);}
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执行上面的代码,控制台打印了get命令返回的结果:


eighteen
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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);}
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查看执行结果:



再到客户端执行一下 get 命令:


127.0.0.1:6379> get age"eighteen"
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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> flushallOK127.0.0.1:6379> 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 range127.0.0.1:6379> get age"eight"
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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。


本文基于 redis 5.0.3 进行测试

官方文档相关说明:https://redis.io/topics/transactions


最后


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