高频Redis面试题解析：Redis 事务是否具备原子性？

txj

2020-04-26

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一、Redis 事务的实现原理

一个事务从开始到结束通常会经历以下三个阶段：

1、事务开始

客户端发送 MULTI 命令，服务器执行 MULTI 命令逻辑。

服务器会在客户端状态（redisClient）的 flags 属性打开 REDIS_MULTI 标识，将客户端从非事务状态切换到事务状态。

void multiCommand(redisClient *c) {
    // 不能在事务中嵌套事务
    if (c->flags & REDIS_MULTI) {
        addReplyError(c,"MULTI calls can not be nested");
        return;
    }
    // 打开事务 FLAG
    c->flags |= REDIS_MULTI;
    addReply(c,shared.ok);
}

2、命令入队

接着，用户可以在客户端输入当前事务要执行的多个命令。

当客户端切换到事务状态时，服务器会根据客户端发来的命令来执行不同的操作。

如果客户端发送的命令为 EXEC、DISCARD、WATCH、MULTI 四个命令的其中一个，那么服务器立即执行这个命令。
与此相反，如果客户端发送的命令是 EXEC、DISCARD、WATCH、MULTI 四个命令以外的其他命令，那么服务器并不立即执行这个命令。
- 首先检查此命令的格式是否正确，如果不正确，服务器会在客户端状态（redisClient）的 flags 属性打开 REDIS_MULTI 标识，并且返回错误信息给客户端。
如果正确将这个命令放入一个事务队列里面，然后向客户端返回 QUEUED 回复。

我们先看看事务队列是如何实现的？

每个 Redis 客户端都有自己的事务状态，对应的是客户端状态（redisClient）的 mstate 属性。

typeof struct redisClient{
    // 事务状态
    multiState mstate;
}
redisClient;

事务状态（mstate）包含一个事务队列（FIFO 队列），以及一个已入队命令的计数器。

/*
 * 事务状态
 */
typedef struct multiState {
    // 事务队列，FIFO 顺序
    multiCmd *commands;
    /* Array of MULTI commands */
    // 已入队命令计数
    int count;
    /* Total number of MULTI commands */
    int minreplicas;
    /* MINREPLICAS for synchronous replication */
    time_t minreplicas_timeout;
    /* MINREPLICAS timeout as unixtime. */
}
multiState;

事务队列是一个 multiCmd 类型数组，数组中每个 multiCmd 结构都保存了一个如入队命令的相关信息：指向命令实现函数的指针，命令的参数，以及参数的数量。

/*
 * 事务命令
 */
typedef struct multiCmd {
    // 参数
    robj **argv;
    // 参数数量
    int argc;
    // 命令指针
    struct redisCommand *cmd;
}
multiCmd;

最后我们再看看入队列的源码：

/* Add a new command into the MULTI commands queue 
 *
 * 将一个新命令添加到事务队列中
 */
void queueMultiCommand(redisClient *c) {
    multiCmd *mc;
    int j;
    // 为新数组元素分配空间
    c->mstate.commands = zrealloc(c->mstate.commands,
                sizeof(multiCmd)*(c->mstate.count+1));
    // 指向新元素
    mc = c->mstate.commands+c->mstate.count;
    // 设置事务的命令、命令参数数量，以及命令的参数
    mc->cmd = c->cmd;
    mc->argc = c->argc;
    mc->argv = zmalloc(sizeof(robj*)*c->argc);
    memcpy(mc->argv,c->argv,sizeof(robj*)*c->argc);
    for (j = 0; j < c->argc; j++)
            incrRefCount(mc->argv[j]);
    // 事务命令数量计数器增一
    c->mstate.count++;
}

当然了，还有我们上面提到的，如果命令入队出错时，会打开客户端状态的 REDIS_DIRTY_EXEC 标识。

/* Flag the transacation as DIRTY_EXEC so that EXEC will fail.
 *
 * 将事务状态设为 DIRTY_EXEC ，让之后的 EXEC 命令失败。
 *
 * Should be called every time there is an error while queueing a command. 
 *
 * 每次在入队命令出错时调用
 */
void flagTransaction(redisClient *c) {
    if (c->flags & REDIS_MULTI)
            c->flags |= REDIS_DIRTY_EXEC;
}

3、事务执行

客户端发送 EXEC 命令，服务器执行 EXEC 命令逻辑。

如果客户端状态的 flags 属性不包含 REDIS_MULTI 标识，或者包含 REDIS_DIRTY_CAS 或者 REDIS_DIRTY_EXEC 标识，那么就直接取消事务的执行。

否则客户端处于事务状态（flags 有 REDIS_MULTI 标识），服务器会遍历客户端的事务队列，然后执行事务队列中的所有命令，最后将返回结果全部返回给客户端；

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? */
// 客户端没有执行事务
if (!(c->flags & REDIS_MULTI)) {
    addReplyError(c,"EXEC without MULTI");
    return;
}
/* Check if we need to abort the EXEC because:
 *
 * 检查是否需要阻止事务执行，因为：
 *
 * 1) Some WATCHed key was touched.
 *    有被监视的键已经被修改了
 *
 * 2) There was a previous error while queueing commands.
 *    命令在入队时发生错误
 *    （注意这个行为是 2.6.4 以后才修改的，之前是静默处理入队出错命令）
 *
 * 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. 
 *
 * 第一种情况返回多个批量回复的空对象
 * 而第二种情况则返回一个 EXECABORT 错误
 */
if (c->flags & (REDIS_DIRTY_CAS|REDIS_DIRTY_EXEC)) {
    addReply(c, c->flags & REDIS_DIRTY_EXEC ? shared.execaborterr :
                                                      shared.nullmultibulk);
    // 取消事务
    discardTransaction(c);
    goto handle_monitor;
}
/* Exec all the queued commands */
// 已经可以保证安全性了，取消客户端对所有键的监视
unwatchAllKeys(c);
/* Unwatch ASAP otherwise we‘ll waste CPU cycles */
// 因为事务中的命令在执行时可能会修改命令和命令的参数
// 所以为了正确地传播命令，需要现备份这些命令和参数
orig_argv = c->argv;
orig_argc = c->argc;
orig_cmd = c->cmd;
addReplyMultiBulkLen(c,c->mstate.count);
// 执行事务中的命令
for (j = 0; j < c->mstate.count; j++) {
    // 因为 Redis 的命令必须在客户端的上下文中执行
    // 所以要将事务队列中的命令、命令参数等设置给客户端
    c->argc = c->mstate.commands[j].argc;
    c->argv = c->mstate.commands[j].argv;
    c->cmd = c->mstate.commands[j].cmd;
    /* Propagate a MULTI request once we encounter the first write op.
     *
     * 当遇上第一个写命令时，传播 MULTI 命令。
     *
     * 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. 
     *
     * 这可以确保服务器和 AOF 文件以及附属节点的数据一致性。
     */
    if (!must_propagate && !(c->cmd->flags & REDIS_CMD_READONLY)) {
        // 传播 MULTI 命令
        execCommandPropagateMulti(c);
        // 计数器，只发送一次
        must_propagate = 1;
    }
    // 执行命令
    call(c,REDIS_CALL_FULL);
    /* Commands may alter argc/argv, restore mstate. */
    // 因为执行后命令、命令参数可能会被改变
    // 比如 SPOP 会被改写为 SREM
    // 所以这里需要更新事务队列中的命令和参数
    // 确保附属节点和 AOF 的数据一致性
    c->mstate.commands[j].argc = c->argc;
    c->mstate.commands[j].argv = c->argv;
    c->mstate.commands[j].cmd = c->cmd;
}
// 还原命令、命令参数
c->argv = orig_argv;
c->argc = orig_argc;
c->cmd = orig_cmd;
// 清理事务状态
discardTransaction(c);
/* Make sure the EXEC command will be propagated as well if MULTI
 * was already propagated. */
// 将服务器设为脏，确保 EXEC 命令也会被传播
if (must_propagate) server.dirty++;
handle_monitor:
/* Send EXEC to clients waiting data from MONITOR. We do it here
 * since the natural order of commands execution is actually:
 * MUTLI, EXEC, ... commands inside transaction ...
 * Instead EXEC is flagged as REDIS_CMD_SKIP_MONITOR in the command
 * table, and we do it here with correct ordering. */
if (listLength(server.monitors) && !server.loading)
        replicationFeedMonitors(c,server.monitors,c->db->id,c->argv,c->argc);
}