Redis事務原理分析

基本應用

在Redis的事務里面，采用的是樂觀鎖，主要是為了提高性能，減少客戶端的等待。由幾個命令構成：WATCH, UNWATCH, MULTI, EXEC, DISCARD。
通過WATCH，可以實現CAS操作。使用WATCH監聽一些鍵，然后去檢查鍵的值，然后根據鍵的值來決定是否還需要進行MULTI，如果鍵的值被改了，則重新。（因為有可能在執行WATCH前，鍵的值被改了，所以需要先WATCH，然后再作判斷）。在執行MULTI命令后，如果中途WATCH的鍵的值被修改了，后續再執行EXEC時，整個事務都會被終止。

CAS使用示例：
假設存在一個String類型的狀態值,state，需要對其進行CAS操作：

   WATCH state
   value  = GET state;
   if value == 1
	   UNWATCH state
	   Return false;
   MULTI
   SET state 1
   result = EXEC
   if result == success
       return true;
   return false;

原理

Redis事務實現原理

通過上述的基本應用可以知道，Redis是通過WATCH命令，來保證當前事務的數據是否被修改過，如果被修改了，則整個事務會中止，不再執行。那么，Redis在實現的時候，會保存對應的watch key，然后中途如果該Key被修改了，則會將對應的所有客戶端的標志位都置為CLIENT_DIRTY_CAS，表示數據被修改，后續執行EXEC的時候則會被中斷，從而實現事務。而UNWATCH命令則是從保存的watch_keys里面移除。MULTI命令僅僅將客戶端的標志位flags置為CLIENT_MULTI，表示處於MULTI狀態，該狀態下，后續的命令（除了MULTI/WATCH/DISCARD/EXEC）外，其它命令都會被保存到一個列表里面，直到EXEC或者DISCARD命令執行。如果中途出現了語法錯誤之類的命令，則會將flags置為CLIENT_DIRTY_EXEC。后續執行EXEC時，如果flags存在CLIENT_DIRTY_CAS或者CLIENT_DIRTY_EXEC，則整個事務會被中止，不執行任何命令。

ACID分析

針對Redis的事務實現，對於ACID，個人認為，對於Atomicity和Durability以及Consistency，Redis是不滿足的。為什么會對ACID進行分析呢，一部分原因是為了作對比學習，另一部分是因為《Redis設計與實現》19章事務ACID性質里面提到了一些觀點，個人不太認同，所以進行了一些對比。

1. Atomicity
   指的是要么不執行，要么全部執行。當其中一部分執行了，但是另外一部分沒有執行，那么作為整個事務，是全部要回滾，都不執行的，而Redis在執行過程中，如果出現操作和類型不一致，則會導致一部分執行，而一部分錯誤的情況，即不滿足原子性。當然，除去部分失誤外，還是能夠保證原子性的，但是這並不是嚴格的原子性要求。
2. Durability
   持久性，事務提交后，無論出現任何情況，包括系統斷電之類的，重啟后都是可以恢復的。對於Redis來說，即使開啟了AOF以及設置為always，也存在命令執行一部分后，系統宕機而導致數據不一致的情況，不能恢復。一般都是通過write-ahead-logging來實現的，即事先寫日志，而Redis是邊執行邊寫日志。
3. Consistency
   一致性，指從一個有效的狀態轉到另一個有效的狀態，不滿足上述的兩個條件，也無法保存一致性，即會出現中間狀態。比如從一個人的賬戶轉到另外一個人上面，執行了轉出，但是沒有執行轉入的時候宕機了，就會導致數據的不一致。
4. Isolation
   隔離性，在多個事務並發的情況下，事務之間不會被影響。對於Redis來說，事務的執行是串行的，中途不會插入其它命令的執行，所以是滿足隔離性的。

WATCH命令實現

WATCH監聽Key，首先就要有地方保存監聽的Key，Redis針對不同的客戶端，會在客戶端的結構體里面維護一個WATCH監聽Key的列表，以及在Server里面維護一個全局的哈希表，Key為被監聽的Key，Value則為一個鏈表，里面保存了所有監聽該Key的客戶端。如下圖：

當執行WATCH account時，則首先會判斷該Key是否已在客戶端里面，如果存在，則直接返回，否則加入到客戶端對應的watched_keys列表里面，然后再將其加入到對應DB的watched_keys字典表里面，Key為 account，Value則為該客戶端。

參考資料：

1. Redis文檔：https://redis.io/topics/transactions
2. 《Redis實戰》 ch4.4/ch19
3. Wiki ACID：https://en.wikipedia.org/wiki/ACID
4. Wiki write-ahead-logging：https://en.wikipedia.org/wiki/Write-ahead_logging
5. Wiki shadow paging: https://en.wikipedia.org/wiki/Shadow_paging