面試官：Redis的事務滿足原子性嗎？
談起數據庫的事務來，估計很多同學的第一反應都是ACID，而排在ACID中首位的A原子性，要求一個事務中的所有操作，要么全部完成，要么全部不完成。熟悉redis的同學肯定知道，在redis中也存在事務，那么它的事務也滿足原子性嗎?下面我們就來一探究竟。
什么是Redis事務?
和數據庫事務類似，redis事務也是用來一次性地執行多條命令。使用起來也很簡單，可以用MULTI開啟一個事務，然后將多個命令入隊到事務的隊列中，最后由EXEC命令觸發事務，執行事務中的所有命令。看一個簡單的事務執行例子：
- 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，在指令和操作數的數據類型等都正常的情況下，輸入EXEC后所有命令被執行成功。
Redis事務滿足原子性嗎?
如果要驗證redis事務是否滿足原子性，那么需要在redis事務執行發生異常的情況下進行，下面我們分兩種不同類型的錯誤分別測試。
語法錯誤
首先測試命令中有語法錯誤的情況，這種情況多為命令的參數個數不正確或輸入的命令本身存在錯誤。下面我們在事務中輸入一個存在格式錯誤的命令，開啟事務并依次輸入下面的命令：
- 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
輸入的命令incr后面沒有添加參數，屬于命令格式不對的語法錯誤，這時在命令入隊時就會立刻檢測出錯誤并提示error。使用exec執行事務，查看結果輸出：
- 127.0.0.1:6379> exec
- (error) EXECABORT Transaction discarded because of previous errors.
在這種情況下，只要事務中的一條命令有語法錯誤，在執行exec后就會直接返回錯誤，包括語法正確的命令在內的所有命令都不會被執行。對此進行驗證，看一下在事務中其他指令執行情況，查看set命令的執行結果，全部為空，說明指令沒有被執行。
- 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寫錯誤、或輸入了一個不存在的命令等情況，也屬于語法錯誤的情況，執行事務時會直接報錯。
運行錯誤
運行錯誤是指輸入的指令格式正確，但是在命令執行期間出現的錯誤，典型場景是當輸入參數的數據類型不符合命令的參數要求時，就會發生運行錯誤。例如下面的例子中，對一個string類型的值執行列表的操作，報錯如下：
- 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
這種錯誤在redis實際執行指令前是無法被發現的，只能當真正執行才能夠被發現，因此這樣的命令是可以被事務隊列接收的，不會和上面的語法錯誤一樣立即報錯。
具體看一下當事務中存在運行錯誤的情況，在下面的事務中，嘗試對string類型數據進行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一直到這里都沒有提示存在錯誤，執行exec看一下結果輸出：
- 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
運行結果可以看到，雖然incr age這條命令出現了錯誤，但是它前后的命令都正常執行了，再看一下這些key對應的值，確實證明了其余指令都執行成功：
- 127.0.0.1:6379> get name
- (nil)
- 127.0.0.1:6379> get age
- "eighteen"
階段性結論
對上面的事務的運行結果進行一下分析：
- 存在語法錯誤的情況下，所有命令都不會執行
- 存在運行錯誤的情況下，除執行中出現錯誤的命令外，其他命令都能正常執行
通過分析我們知道了redis中的事務是不滿足原子性的，在運行錯誤的情況下，并沒有提供類似數據庫中的回滾功能。那么為什么redis不支持回滾呢，官方文檔給出了說明，大意如下：
- redis命令失敗只會發生在語法錯誤或數據類型錯誤的情況，這一結果都是由編程過程中的錯誤導致，這種情況應該在開發環境中檢測出來，而不是生產環境
- 不使用回滾，能使redis內部設計更簡單，速度更快
- 回滾不能避免編程邏輯中的錯誤，如果想要將一個鍵的值增加2卻只增加了1，這種情況即使提供回滾也無法提供幫助
基于以上原因，redis官方選擇了更簡單、更快的方法，不支持錯誤回滾。這樣的話，如果在我們的業務場景中需要保證原子性，那么就要求了開發者通過其他手段保證命令全部執行成功或失敗，例如在執行命令前進行參數類型的校驗，或在事務執行出現錯誤時及時做事務補償。
提到其他方式，相信很多小伙伴都聽說使用Lua腳本來保證操作的原子性，例如在分布式鎖中通常使用的就是Lua腳本，那么，神奇的Lua腳本真的能保證原子性嗎?
簡單的Lua腳本入門
在驗證lua腳本的原子性之前，我們需要對它做一個簡單的了解。redis從2.6版本開始支持執行lua腳本，它的功能和事務非常類似，一段lua腳本被視作一條命令執行，這樣將多條redis命令寫入lua，即可實現類似事務的執行結果。我們先看一下下面幾個常用的命令。
EVAL 命令
最常用的EVAL用于執行一段腳本，它的命令的格式如下：
- EVAL script numkeys key [key ...] arg [arg ...]
簡單解釋一下其中的參數：
- script是一段lua腳本程序
- numkeys指定后續參數有幾個key，如沒有key則為0
- key [key …]表示腳本中用到的redis中的鍵，在lua腳本中通過KEYS[i]的形式獲取
- arg [arg …]表示附加參數，在lua腳本中通過ARGV[i]獲取
看一個簡單的例子：
- 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，雙引號中是lua腳本程序，后面的2表示存在兩個key，分別是key1和key2，之后的參數是附加參數value1和value2。
如果想要使用lua腳本執行set命令，可以寫成這樣：
- 127.0.0.1:6379> EVAL "redis.call('SET', KEYS[1], ARGV[1]);" 1 name Hydra
- (nil)
這里使用了redis內置的lua函數redis.call來完成set命令，這里打印的執行結果nil是因為沒有返回值，如果不習慣的話，其實我們可以在腳本中添加return 0;的返回語句。
SCRIPT LOAD 和 EVALSHA命令
這兩個命令放在一起是因為它們一般成對使用。先看SCRIPT LOAD，它用于把腳本加載到緩存中，返回SHA1校驗和，這時候只是緩存了命令，但是命令沒有被馬上執行，看一個例子：
- 127.0.0.1:6379> SCRIPT LOAD "return redis.call('GET', KEYS[1]);"
- "228d85f44a89b14a5cdb768a29c4c4d907133f56"
這里返回了一個SHA1的校驗和，接下來就可以使用EVALSHA來執行腳本了：
- 127.0.0.1:6379> EVALSHA "228d85f44a89b14a5cdb768a29c4c4d907133f56" 1 name
- "Hydra"
這里使用這個SHA1值就相當于導入了上面緩存的命令，在之后再拼接numkeys、key、arg等參數，命令就能夠正常執行了。
其他命令
使用SCRIPT EXISTS命令判斷腳本是否被緩存：
- 127.0.0.1:6379> SCRIPT EXISTS 228d85f44a89b14a5cdb768a29c4c4d907133f56
- 1) (integer) 1
使用SCRIPT FLUSH命令清除redis中的lua腳本緩存：
- 127.0.0.1:6379> SCRIPT FLUSH
- OK
- 127.0.0.1:6379> SCRIPT EXISTS 228d85f44a89b14a5cdb768a29c4c4d907133f56
- 1) (integer) 0
可以看到，執行了SCRIPT FLUSH后，再次通過SHA1值查看腳本時已經不存在。最后，還可以使用SCRIPT KILL命令殺死當前正在運行的 lua 腳本，但是只有當腳本沒有執行寫操作時才會生效。
從這些操作看來，lua腳本具有下面的優點：
- 多次網絡請求可以在一次請求中完成，減少網絡開銷，減少了網絡延遲
- 客戶端發送的腳本會存在redis中，其他客戶端可以復用這一腳本，而不需要再重復編碼完成相同的邏輯
Java代碼中使用lua腳本
在Java代碼中可以使用Jedis中封裝好的API來執行lua腳本，下面是一個使用Jedis執行lua腳本的例子：
- 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);
- }
執行上面的代碼，控制臺打印了get命令返回的結果：
- eighteen
簡單的鋪墊完成后，我們來看一下lua腳本究竟能否實現回滾級別的原子性。對上面的代碼進行改造，插入一條運行錯誤的命令：
- 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);
- }
查看執行結果：
再到客戶端執行一下get命令：
- 127.0.0.1:6379> get age
- "eighteen"
也就是說，雖然程序拋出了異常，但異常前的命令還是被正常的執行了且沒有被回滾。再試試直接在redis客戶端中運行這條指令：
- 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"
同樣，錯誤之前的指令仍然沒有被回滾，那么我們之前經常聽說的Lua腳本保證原子性操作究竟是怎么回事呢?
其實，在redis中是使用的同一個lua解釋器來執行所有命令，也就保證了當一段lua腳本在執行時，不會有其他腳本或redis命令同時執行，保證了操作不會被其他指令插入或打擾，實現的僅僅是這種程度上的原子操作。
但是遺憾的是，如果lua腳本運行時出錯并中途結束，之后的操作不會進行，但是之前已經發生的寫操作不會撤銷，所以即使使用了lua腳本，也不能實現類似數據庫回滾的原子性。
本文基于redis 5.0.3 進行測試
官方文檔相關說明：https://redis.io/topics/transactions
本文轉載自微信公眾號「碼農參上」
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