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深入剖析 redis 事务机制

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redis 事务简述

   MULTI,EXEC,DISCARD,WATCH 四个命令是 redis 事务的四个基础命令。其中:

  • MULTI,告诉 redis 服务器开启一个事务。注意,只是开启,而不是执行

  • EXEC,告诉 redis 开始执行事务

  • DISCARD,告诉 redis 取消事务

  • WATCH,监视某一个键值对,它的作用是在事务执行之前如果监视的键值被修改,事务会被取消。

  •    在介绍 redis 事务之前,先来展开 redis 命令队列的内部实现。

    redis 命令队列

       redis 允许一个客户端不间断执行多条命令:发送 MULTI 后,用户键入多条命令;再发送 EXEC 即可不间断执行之前输入的多条命令。因为,redis 是单进程单线的工作模式,因此多条命令的执行是不会被中断的。

    > MULTI
    OK
    > INCR foo
    QUEUED
    > INCR bar
    QUEUED
    > EXEC
    1) (integer) 1
    2) (integer) 1

       内部实现不难:redis 服务器收到来自客户端的 MULTI 命令后,为客户端保存一个命令队列结构体,直到收到 EXEC 后才开始执行命令队列中的命令。

       下面是命令队列的数据结构:

    // 命令结构体,命令队列专用
    /* Client MULTI/EXEC state */
    typedef struct multiCmd {
        // 命令参数
        robj **argv;
     
        // 参数个数
        int argc;
     
        // 命令结构体,包含了与命令相关的参数,譬如命令执行函数
        // 如需更详细了解,参看 redis.c 中的 redisCommandTable 全局参数
        struct redisCommand *cmd;
    } multiCmd;
     
    // 命令队列结构体
    typedef struct multiState {
        // 命令队列
        multiCmd *commands;     /* Array of MULTI commands */
     
        // 命令的个数
        int count;              /* Total number of MULTI commands */
     
        // 以下两个参数暂时没有用到,和主从复制有关
        int minreplicas;        /* MINREPLICAS for synchronous replication */
        time_t minreplicas_timeout; /* MINREPLICAS timeout as unixtime. */
    } multiState;

       通由上面给出的 redis 客户端操作,来看看 redis 服务器的状态变化:

    > MULTI
    OK
    > INCR foo
    QUEUED
    > INCR bar
    QUEUED
    > EXEC
    1) (integer) 1
    2) (integer) 1

       redis_transaction

       processCommand() 函数中的一段代码可以窥探命令入队的操作:

    // 执行命令
    int processCommand(redisClient *c) {
        ......
     
        // 加入命令队列的情况
        /* Exec the command */
        if (c->flags & REDIS_MULTI &&
            c->cmd->proc != execCommand && c->cmd->proc != discardCommand &&
            c->cmd->proc != multiCommand && c->cmd->proc != watchCommand)
        {
            // 命令入队
            queueMultiCommand(c);
            addReply(c,shared.queued);
     
        // 真正执行命令。
        // 注意,如果是设置了多命令模式,那么不是直接执行命令,而是让命令入队
        } else {
            call(c,REDIS_CALL_FULL);
            if (listLength(server.ready_keys))
                handleClientsBlockedOnLists();
        }
        return REDIS_OK;
    }

    键值的监视

       稍后再展开事务执行和取消的部分。

       redis 的官方文档上说,WATCH 命令是为了让 redis 拥有 check-and-set(CAS)的特性。CAS 的意思是,一个客户端在修改某个值之前,要检测它是否更改;如果没有更改,修改操作才能成功。

       一个不含 CAS 特性的例子:


    client Aclien B
    0get score(score=10)
    1
    get score(score=10)
    2temp=score+1(temp=11)
    temp=score+1(temp=11)
    3
    set score temp(score=11)
    4
    set score temp(score=11)

    5final: score=11
    final: score=11

       含有 CAS 特性的例子:


    client Aclien B
    0get score(score=10)
    1
    get score(score=10)
    2temp=score+1(temp=11)
    temp=score+1(temp=11)
    3
    (服务器标记 score 已经被修改)
    set score temp(score=11)
    4
    set score temp(score=11) (failed!!!)

    5final: score=11
    final: score=11
    6
    get score(score=11)

    7
    temp=score+1(temp=12)

    8
    set score temp(score=12)

    9
    final: score=12

       在后一个例子中,client A 第一次尝试修改失败,因为 client B 修改了 score.client A 失败过后,再次尝试修改才成功。redis 事务的 CAS 特性借助了键值的监视。

       redis 数据集结构体 redisDB 和客户端结构体 redisClient 都会保存键值监视的相关数据。

       redis_watched_keys

       监视键值的过程:

    // WATCH 命令执行函数
    void watchCommand(redisClient *c) {
        int j;
     
        // WATCH 命令不能在 MULTI 和 EXEC 之间调用
        if (c->flags & REDIS_MULTI) {
            addReplyError(c,"WATCH inside MULTI is not allowed");
            return;
        }
     
        // 监视所给出的键
        for (j = 1; j < c->argc; j++)
            watchForKey(c,c->argv[j]);
        addReply(c,shared.ok);
    }
     
    // 监视键值函数
    /* Watch for the specified key */
    void watchForKey(redisClient *c, robj *key) {
        list *clients = NULL;
        listIter li;
        listNode *ln;
        watchedKey *wk;
     
        // 是否已经监视该键值
        /* Check if we are already watching for this key */
        listRewind(c->watched_keys,&li);
        while((ln = listNext(&li))) {
            wk = listNodeValue(ln);
            if (wk->db == c->db && equalStringObjects(key,wk->key))
                return; /* Key already watched */
        }
     
        // 获取监视该键值的客户端链表
        /* This key is not already watched in this DB. Let's add it */
        clients = dictFetchValue(c->db->watched_keys,key);
        // 如果不存在链表,需要新建一个
        if (!clients) {
            clients = listCreate();
            dictAdd(c->db->watched_keys,key,clients);
            incrRefCount(key);
        }
     
        // 尾插法。将客户端添加到链表尾部
        listAddNodeTail(clients,c);
     
        // 将监视键添加到 redisClient.watched_keys 的尾部
        /* Add the new key to the list of keys watched by this client */
        wk = zmalloc(sizeof(*wk));
        wk->key = key;
        wk->db = c->db;
        incrRefCount(key);
        listAddNodeTail(c->watched_keys,wk);
    }

       当客户端键值的键值被修改的时候,监视该键值的所有客户端都会被标记为 REDIS_DIRTY_CAS,表示此该键值对被修改过。

       touchWatchedKey() 是标记某键值被修改的函数,它一般不被 signalModifyKey() 函数包装。下面是 touchWatchedKey() 的实现。

    // 标记键值键值对的客户端为 REDIS_DIRTY_CAS,表示其所监视的数据已经被修改过
    /* "Touch" a key, so that if this key is being WATCHed by some client the
    * next EXEC will fail. */
    void touchWatchedKey(redisDb *db, robj *key) {
        list *clients;
        listIter li;
        listNode *ln;
     
        // 获取监视 key 的所有客户端
        if (dictSize(db->watched_keys) == 0) return;
        clients = dictFetchValue(db->watched_keys, key);
        if (!clients) return;
     
        // 标记监视 key 的所有客户端 REDIS_DIRTY_CAS
        /* Mark all the clients watching this key as REDIS_DIRTY_CAS */
        /* Check if we are already watching for this key */
        listRewind(clients,&li);
        while((ln = listNext(&li))) {
            redisClient *c = listNodeValue(ln);
     
            // REDIS_DIRTY_CAS 更改的时候会设置此标记
            c->flags |= REDIS_DIRTY_CAS;
        }
    }

    redis 事务的执行与取消

       当用户发出 EXEC 的时候,在它 MULTI 命令之后提交的所有命令都会被执行。从代码的实现来看,如果客户端监视的数据被修改,它会被标记 REDIS_DIRTY_CAS,会调用 discardTransaction() 从而取消该事务。特别的,用户开启一个事务后会提交多个命令,如果命令在入队过程中出现错误,譬如提交的命令本身不存在,参数错误和内存超额等,都会导致客户端被标记 REDIS_DIRTY_EXEC,被标记 REDIS_DIRTY_EXEC 会导致事务被取消。

       因此总结一下:

  • REDIS_DIRTY_CAS 更改的时候会设置此标记

  • REDIS_DIRTY_EXEC 命令入队时出现错误,此标记会导致 EXEC 命令执行失败

  •    下面是执行事务的过程:

    // 执行事务内的所有命令
    void execCommand(redisClient *c) {
        int j;
        robj **orig_argv;
        int orig_argc;
        struct redisCommand *orig_cmd;
        int must_propagate = 0; /* Need to propagate MULTI/EXEC to AOF / slaves? */
     
        // 必须设置多命令标记
        if (!(c->flags & REDIS_MULTI)) {
            addReplyError(c,"EXEC without MULTI");
            return;
        }
     
        // 停止执行事务命令的情况:
        // 1. 被监视的数据被修改
        // 2. 命令队列中的命令执行失败
        /* Check if we need to abort the EXEC because:
         * 1) Some WATCHed key was touched.
         * 2) There was a previous error while queueing commands.
         * A failed EXEC in the first case returns a multi bulk nil object
         * (technically it is not an error but a special behavior), while
         * in the second an EXECABORT error is returned. */
        if (c->flags & (REDIS_DIRTY_CAS|REDIS_DIRTY_EXEC)) {
            addReply(c, c->flags & REDIS_DIRTY_EXEC ? shared.execaborterr :
                                                      shared.nullmultibulk);
            discardTransaction(c);
            goto handle_monitor;
        }
     
        // 执行队列中的所有命令
        /* Exec all the queued commands */
        unwatchAllKeys(c); /* Unwatch ASAP otherwise we'll waste CPU cycles */
     
        // 保存当前的命令,一般为 MULTI,在执行完所有的命令后会恢复。
        orig_argv = c->argv;
        orig_argc = c->argc;
        orig_cmd = c->cmd;
     
        addReplyMultiBulkLen(c,c->mstate.count);
     
        for (j = 0; j < c->mstate.count; j++) {
            // 命令队列中的命令被赋值给当前的命令
            c->argc = c->mstate.commands[j].argc;
            c->argv = c->mstate.commands[j].argv;
            c->cmd = c->mstate.commands[j].cmd;
     
            // 遇到包含写操作的命令需要将 MULTI 命令写入 AOF 文件
            /* Propagate a MULTI request once we encounter the first write op.
             * This way we'll deliver the MULTI/..../EXEC block as a whole and
             * both the AOF and the replication link will have the same consistency
             * and atomicity guarantees. */
            if (!must_propagate && !(c->cmd->flags & REDIS_CMD_READONLY)) {
                execCommandPropagateMulti(c);
                must_propagate = 1;
            }
     
            // 调用 call() 执行
            call(c,REDIS_CALL_FULL);
     
            // 这几句是多余的
            /* Commands may alter argc/argv, restore mstate. */
            c->mstate.commands[j].argc = c->argc;
            c->mstate.commands[j].argv = c->argv;
            c->mstate.commands[j].cmd = c->cmd;
        }
     
        // 恢复当前的命令,一般为 MULTI
        c->argv = orig_argv;
        c->argc = orig_argc;
        c->cmd = orig_cmd;
     
        // 事务已经执行完毕,清理与此事务相关的信息,如命令队列和客户端标记
        discardTransaction(c);
        /* Make sure the EXEC command will be propagated as well if MULTI
         * was already propagated. */
        if (must_propagate) server.dirty++;
     
        ......
    }

       如上所说,被监视的键值被修改或者命令入队出错都会导致事务被取消:

    // 取消事务
    void discardTransaction(redisClient *c) {
        // 清空命令队列
        freeClientMultiState(c);
     
        // 初始化命令队列
        initClientMultiState(c);
     
        // 取消标记 flag
        c->flags &= ~(REDIS_MULTI|REDIS_DIRTY_CAS|REDIS_DIRTY_EXEC);;
        unwatchAllKeys(c);
    }

建议继续学习:

  1. redis源代码分析 - persistence    (阅读:31139)
  2. Redis消息队列的若干实现方式    (阅读:10703)
  3. 基于Redis构建系统的经验和教训    (阅读:9283)
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  5. redis运维的一些知识点    (阅读:7416)
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  7. Redis和Memcached的区别    (阅读:6772)
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