Redis事務(wù)模式和Lua腳本的原理是什么

這篇文章主要介紹了Redis事務(wù)模式和Lua腳本的原理是什么的相關(guān)知識(shí)，內(nèi)容詳細(xì)易懂，操作簡單快捷，具有一定借鑒價(jià)值，相信大家閱讀完這篇Redis事務(wù)模式和Lua腳本的原理是什么文章都會(huì)有所收獲，下面我們一起來看看吧。

準(zhǔn)確的講，Redis 事務(wù)包含兩種模式 : 事務(wù)模式 和 Lua 腳本。

先說結(jié)論：

Redis 的事務(wù)模式具備如下特點(diǎn)：

• 保證隔離性；

• 無法保證持久性；

• 具備了一定的原子性，但不支持回滾；

• 一致性的概念有分歧，假設(shè)在一致性的核心是約束的語意下，Redis 的事務(wù)可以保證一致性。

但 Lua 腳本更具備實(shí)用場景，它是另一種形式的事務(wù)，他具備一定的原子性，但腳本報(bào)錯(cuò)的情況下，事務(wù)并不會(huì)回滾。Lua 腳本可以保證隔離性，而且可以完美的支持后面的步驟依賴前面步驟的結(jié)果。

Lua 腳本模式的身影幾乎無處不在，比如分布式鎖、延遲隊(duì)列、搶紅包等場景。

1 事務(wù)原理

Redis 的事務(wù)包含如下命令：

事務(wù)包含三個(gè)階段：

0. 事務(wù)開啟，使用 MULTI , 該命令標(biāo)志著執(zhí)行該命令的客戶端從非事務(wù)狀態(tài)切換至事務(wù)狀態(tài) ；

1. 命令入隊(duì)，MULTI 開啟事務(wù)之后，客戶端的命令并不會(huì)被立即執(zhí)行，而是放入一個(gè)事務(wù)隊(duì)列 ；

2. 執(zhí)行事務(wù)或者丟棄。如果收到 EXEC 的命令，事務(wù)隊(duì)列里的命令將會(huì)被執(zhí)行 ，如果是 DISCARD 則事務(wù)被丟棄。

下面展示一個(gè)事務(wù)的例子。

1
 redis> MULTI 
2
 OK
3
 redis> SET msg "hello world"
4
 QUEUED
5
 redis> GET msg
6
 QUEUED
7
 redis> EXEC
8
 1) OK
9
 1) hello world

這里有一個(gè)疑問？在開啟事務(wù)的時(shí)候，Redis key 可以被修改嗎？

在事務(wù)執(zhí)行 EXEC 命令之前 ，Redis key 依然可以被修改。

在事務(wù)開啟之前，我們可以 watch 命令監(jiān)聽 Redis key 。在事務(wù)執(zhí)行之前，我們修改 key 值 ，事務(wù)執(zhí)行失敗，返回 nil 。

通過上面的例子，watch 命令可以實(shí)現(xiàn)類似樂觀鎖的效果 。

2 事務(wù)的ACID

2.1 原子性

原子性是指：一個(gè)事務(wù)中的所有操作，或者全部完成，或者全部不完成，不會(huì)結(jié)束在中間某個(gè)環(huán)節(jié)。事務(wù)在執(zhí)行過程中發(fā)生錯(cuò)誤，會(huì)被回滾到事務(wù)開始前的狀態(tài)，就像這個(gè)事務(wù)從來沒有執(zhí)行過一樣。

第一個(gè)例子：

在執(zhí)行 EXEC 命令前，客戶端發(fā)送的操作命令錯(cuò)誤，比如：語法錯(cuò)誤或者使用了不存在的命令。

1
 redis> MULTI
2
 OK
3
 redis> SET msg "other msg"
4
 QUEUED
5
 redis> wrongcommand  ### 故意寫錯(cuò)誤的命令
6
 (error) ERR unknown command 'wrongcommand' 
7
 redis> EXEC
8
 (error) EXECABORT Transaction discarded because of previous errors.
9
 redis> GET msg
10
 "hello world"

在這個(gè)例子中，我們使用了不存在的命令，導(dǎo)致入隊(duì)失敗，整個(gè)事務(wù)都將無法執(zhí)行 。

第二個(gè)例子：

事務(wù)操作入隊(duì)時(shí)，命令和操作的數(shù)據(jù)類型不匹配 ，入隊(duì)列正常，但執(zhí)行 EXEC 命令異常 。

1
 redis> MULTI  
2
 OK
3
 redis> SET msg "other msg"
4
 QUEUED
5
 redis> SET mystring "I am a string"
6
 QUEUED
7
 redis> HMSET mystring name  "test"
8
 QUEUED
9
 redis> SET msg "after"
10
 QUEUED
11
 redis> EXEC
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 1) OK
13
 2) OK
14
 3) (error) WRONGTYPE Operation against a key holding the wrong kind of value
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 4) OK
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 redis> GET msg
17
 "after"

這個(gè)例子里，Redis 在執(zhí)行 EXEC 命令時(shí)，如果出現(xiàn)了錯(cuò)誤，Redis 不會(huì)終止其它命令的執(zhí)行，事務(wù)也不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)命令執(zhí)行失敗而回滾 。

綜上，我對(duì) Redis 事務(wù)原子性的理解如下：

0. 命令入隊(duì)時(shí)報(bào)錯(cuò)， 會(huì)放棄事務(wù)執(zhí)行，保證原子性；

1. 命令入隊(duì)時(shí)正常，執(zhí)行 EXEC 命令后報(bào)錯(cuò)，不保證原子性；

也就是：Redis 事務(wù)在特定條件下，才具備一定的原子性 。

2.2 隔離性

數(shù)據(jù)庫的隔離性是指：數(shù)據(jù)庫允許多個(gè)并發(fā)事務(wù)同時(shí)對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫和修改的能力，隔離性可以防止多個(gè)事務(wù)并發(fā)執(zhí)行時(shí)由于交叉執(zhí)行而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不一致。

事務(wù)隔離分為不同級(jí)別 ，分別是：

• 未提交讀（read uncommitted）

• 提交讀（read committed）

• 可重復(fù)讀（repeatable read）

• 串行化（serializable）

首先，需要明確一點(diǎn)：Redis 并沒有事務(wù)隔離級(jí)別的概念。這里我們討論 Redis 的隔離性是指：并發(fā)場景下，事務(wù)之間是否可以做到互不干擾。

我們可以將事務(wù)執(zhí)行可以分為 EXEC 命令執(zhí)行前和 EXEC 命令執(zhí)行后兩個(gè)階段，分開討論。

0. EXEC 命令執(zhí)行前

在事務(wù)原理這一小節(jié)，我們發(fā)現(xiàn)在事務(wù)執(zhí)行之前 ，Redis key 依然可以被修改。此時(shí)，可以使用 WATCH 機(jī)制來實(shí)現(xiàn)樂觀鎖的效果。

0. EXEC 命令執(zhí)行后

因?yàn)?Redis 是單線程執(zhí)行操作命令， EXEC 命令執(zhí)行后，Redis 會(huì)保證命令隊(duì)列中的所有命令執(zhí)行完 。 這樣就可以保證事務(wù)的隔離性。

2.3 持久性

數(shù)據(jù)庫的持久性是指 ：事務(wù)處理結(jié)束后，對(duì)數(shù)據(jù)的修改就是永久的，即便系統(tǒng)故障也不會(huì)丟失。

Redis 的數(shù)據(jù)是否持久化取決于 Redis 的持久化配置模式 。

0. 沒有配置 RDB 或者 AOF ，事務(wù)的持久性無法保證；

1. 使用了 RDB模式，在一個(gè)事務(wù)執(zhí)行后，下一次的 RDB 快照還未執(zhí)行前，如果發(fā)生了實(shí)例宕機(jī)，事務(wù)的持久性同樣無法保證；

2. 使用了 AOF 模式；AOF 模式的三種配置選項(xiàng) no 、everysec 都會(huì)存在數(shù)據(jù)丟失的情況 。always 可以保證事務(wù)的持久性，但因?yàn)樾阅芴?，在生產(chǎn)環(huán)境一般不推薦使用。

綜上，redis 事務(wù)的持久性是無法保證的 。

2.4 一致性

一致性的概念一直很讓人困惑，在我搜尋的資料里，有兩類不同的定義。

0. 維基百科

我們先看下維基百科上一致性的定義：

Consistency ensures that a transaction can only bring the database from one valid state to another, maintaining database invariants: any data written to the database must be valid according to all defined rules, including constraints, cascades, triggers, and any combination thereof. This prevents database corruption by an illegal transaction, but does not guarantee that a transaction is correct. Referential integrity guarantees the primary key – foreign key relationship.

在這段文字里，一致性的核心是“約束”，“any data written to the database must be valid according to all defined rules ”。

如何理解約束？這里引用知乎問題 如何理解數(shù)據(jù)庫的內(nèi)部一致性和外部一致性，螞蟻金服 OceanBase 研發(fā)專家韓富晟回答的一段話：

“約束”由數(shù)據(jù)庫的使用者告訴數(shù)據(jù)庫，使用者要求數(shù)據(jù)一定符合這樣或者那樣的約束。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生修改時(shí)，數(shù)據(jù)庫會(huì)檢查數(shù)據(jù)是否還符合約束條件，如果約束條件不再被滿足，那么修改操作不會(huì)發(fā)生。

關(guān)系數(shù)據(jù)庫最常見的兩類約束是“唯一性約束”和“完整性約束”，表格中定義的主鍵和唯一鍵都保證了指定的數(shù)據(jù)項(xiàng)絕不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)，表格之間定義的參照完整性也保證了同一個(gè)屬性在不同表格中的一致性。

“ Consistency in ACID ”是如此的好用，以至于已經(jīng)融化在大部分使用者的血液里了，使用者會(huì)在表格設(shè)計(jì)的時(shí)候自覺的加上需要的約束條件，數(shù)據(jù)庫也會(huì)嚴(yán)格的執(zhí)行這個(gè)約束條件。

所以事務(wù)的一致性和預(yù)先定義的約束有關(guān)，保證了約束即保證了一致性。

我們細(xì)細(xì)品一品這句話： This prevents database corruption by an illegal transaction, but does not guarantee that a transaction is correct。

寫到這里可能大家還是有點(diǎn)模糊，我們舉經(jīng)典轉(zhuǎn)賬的案例。

我們開啟一個(gè)事務(wù)，張三和李四賬號(hào)上的初始余額都是1000元，并且余額字段沒有任何約束。張三給李四轉(zhuǎn)賬1200元。張三的余額更新為 -200 ， 李四的余額更新為2200。

從應(yīng)用層面來看，這個(gè)事務(wù)明顯不合法，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)場景中，用戶余額不可能小于 0 ， 但是它完全遵循數(shù)據(jù)庫的約束，所以從數(shù)據(jù)庫層面來看，這個(gè)事務(wù)依然保證了一致性。

Redis 的事務(wù)一致性是指：Redis 事務(wù)在執(zhí)行過程中符合數(shù)據(jù)庫的約束，沒有包含非法或者無效的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

我們分三種異常場景分別討論：

0. 執(zhí)行 EXEC 命令前，客戶端發(fā)送的操作命令錯(cuò)誤，事務(wù)終止，數(shù)據(jù)保持一致性；

1. 執(zhí)行 EXEC 命令后，命令和操作的數(shù)據(jù)類型不匹配，錯(cuò)誤的命令會(huì)報(bào)錯(cuò)，但事務(wù)不會(huì)因?yàn)殄e(cuò)誤的命令而終止，而是會(huì)繼續(xù)執(zhí)行。正確的命令正常執(zhí)行，錯(cuò)誤的命令報(bào)錯(cuò)，從這個(gè)角度來看，數(shù)據(jù)也可以保持一致性；

2. 執(zhí)行事務(wù)的過程中，Redis 服務(wù)宕機(jī)。這里需要考慮服務(wù)配置的持久化模式。

• 無持久化的內(nèi)存模式：服務(wù)重啟之后，數(shù)據(jù)庫沒有保持?jǐn)?shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)都是保持一致性的；

• RDB / AOF 模式： 服務(wù)重啟后，Redis 通過 RDB / AOF 文件恢復(fù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫會(huì)還原到一致的狀態(tài)。

綜上所述，在一致性的核心是約束的語意下，Redis 的事務(wù)可以保證一致性。

0. 《設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用》

這本書是分布式系統(tǒng)入門的神書。在事務(wù)這一章節(jié)有一段關(guān)于 ACID 的解釋：

Atomicity, isolation, and durability are properties of the database,whereas consistency (in the ACID sense) is a property of the application. The application may rely on the database’s atomicity and isolation properties in order to achieve consistency, but it’s not up to the database alone. Thus, the letter C doesn’t really belong in ACID.

原子性，隔離性和持久性是數(shù)據(jù)庫的屬性，而一致性（在 ACID 意義上）是應(yīng)用程序的屬性。應(yīng)用可能依賴數(shù)據(jù)庫的原子性和隔離屬性來實(shí)現(xiàn)一致性，但這并不僅取決于數(shù)據(jù)庫。因此，字母 C 不屬于 ACID 。

很多時(shí)候，我們一直在糾結(jié)的一致性，其實(shí)就是指符合現(xiàn)實(shí)世界的一致性，現(xiàn)實(shí)世界的一致性才是事務(wù)追求的最終目標(biāo)。

為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界的一致性，需要滿足如下幾點(diǎn)：

0. 保證原子性，持久性和隔離性，如果這些特征都無法保證，那么事務(wù)的一致性也無法保證；

1. 數(shù)據(jù)庫本身的約束，比如字符串長度不能超過列的限制或者唯一性約束；

2. 業(yè)務(wù)層面同樣需要進(jìn)行保障 。

2.5 事務(wù)特點(diǎn)

我們通常稱 Redis 為內(nèi)存數(shù)據(jù)庫 , 不同于傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，為了提供了更高的性能，更快的寫入速度，在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)層面做了一些平衡，并不能完全支持事務(wù)的 ACID。

Redis 的事務(wù)具備如下特點(diǎn)：

• 保證隔離性；

• 無法保證持久性；

• 具備了一定的原子性，但不支持回滾；

• 一致性的概念有分歧，假設(shè)在一致性的核心是約束的語意下，Redis 的事務(wù)可以保證一致性。

從工程角度來看，假設(shè)事務(wù)操作中每個(gè)步驟需要依賴上一個(gè)步驟返回的結(jié)果，則需要通過 watch 來實(shí)現(xiàn)樂觀鎖 。

3 Lua 腳本

3.1 簡介

Lua 由標(biāo)準(zhǔn) C 編寫而成，代碼簡潔優(yōu)美，幾乎在所有操作系統(tǒng)和平臺(tái)上都可以編譯，運(yùn)行。Lua 腳本可以很容易的被 C/C ++ 代碼調(diào)用，也可以反過來調(diào)用 C/C++ 的函數(shù)，這使得 Lua 在應(yīng)用程序中可以被廣泛應(yīng)用。

Lua 腳本在游戲領(lǐng)域大放異彩，大家耳熟能詳?shù)摹洞笤捨饔蜪I》，《魔獸世界》都大量使用 Lua 腳本。Java 后端工程師接觸過的 api 網(wǎng)關(guān)，比如 Openresty ，Kong 都可以看到 Lua 腳本的身影。

從 Redis 2.6.0 版本開始， Redis內(nèi)置的 Lua 解釋器，可以實(shí)現(xiàn)在 Redis 中運(yùn)行 Lua 腳本。

使用 Lua 腳本的好處 ：

• 減少網(wǎng)絡(luò)開銷。將多個(gè)請求通過腳本的形式一次發(fā)送，減少網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。

• 原子操作。Redis會(huì)將整個(gè)腳本作為一個(gè)整體執(zhí)行，中間不會(huì)被其他命令插入。

• 復(fù)用?？蛻舳税l(fā)送的腳本會(huì)永久存在 Redis 中，其他客戶端可以復(fù)用這一腳本而不需要使用代碼完成相同的邏輯。

Redis Lua 腳本常用命令：

3.2 EVAL 命令

命令格式：

1
 EVAL script numkeys key [key ...] arg [arg ...]

說明：

• script是第一個(gè)參數(shù)，為 Lua 5.1腳本；

• 第二個(gè)參數(shù)numkeys指定后續(xù)參數(shù)有幾個(gè) key；

• key [key ...]，是要操作的鍵，可以指定多個(gè)，在 Lua 腳本中通過KEYS[1], KEYS[2]獲??；

• arg [arg ...]，參數(shù)，在 Lua 腳本中通過ARGV[1], ARGV[2]獲取。

簡單實(shí)例：

1
 redis> eval "return ARGV[1]" 0 100 
2
 "100"
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 redis> eval "return {ARGV[1],ARGV[2]}" 0 100 101
4
 1) "100"
5
 2) "101"
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 redis> eval "return {KEYS[1],KEYS[2],ARGV[1]}" 2 key1 key2 first second
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 1) "key1"
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 2) "key2"
9
 3) "first"
10
 4) "second"

下面演示下 Lua 如何調(diào)用 Redis 命令 ，通過redis.call()來執(zhí)行了 Redis 命令 。

1
 redis> set mystring 'hello world'
2
 OK
3
 redis> get mystring
4
 "hello world"
5
 redis> EVAL "return redis.call('GET',KEYS[1])" 1 mystring
6
 "hello world"
7
 redis> EVAL "return redis.call('GET','mystring')" 0
8
 "hello world"

3.3 EVALSHA 命令

使用 EVAL 命令每次請求都需要傳輸 Lua 腳本 ，若 Lua 腳本過長，不僅會(huì)消耗網(wǎng)絡(luò)帶寬，而且也會(huì)對(duì) Redis 的性能造成一定的影響。

思路是先將 Lua 腳本先緩存起來 , 返回給客戶端 Lua 腳本的 sha1 摘要。 客戶端存儲(chǔ)腳本的 sha1 摘要 ，每次請求執(zhí)行 EVALSHA 命令即可。

EVALSHA 命令基本語法如下：

1
 redis> EVALSHA sha1 numkeys key [key ...] arg [arg ...]

實(shí)例如下：

1
 redis> SCRIPT LOAD "return 'hello world'"
2
 "5332031c6b470dc5a0dd9b4bf2030dea6d65de91"
3
 redis> EVALSHA 5332031c6b470dc5a0dd9b4bf2030dea6d65de91 0
4
 "hello world"

4 事務(wù) VS Lua 腳本

從定義上來說， Redis 中的腳本本身就是一種事務(wù)， 所以任何在事務(wù)里可以完成的事， 在腳本里面也能完成。 并且一般來說， 使用腳本要來得更簡單，并且速度更快。

因?yàn)槟_本功能是 Redis 2.6 才引入的， 而事務(wù)功能則更早之前就存在了， 所以 Redis 才會(huì)同時(shí)存在兩種處理事務(wù)的方法。

不過我們并不打算在短時(shí)間內(nèi)就移除事務(wù)功能， 因?yàn)槭聞?wù)提供了一種即使不使用腳本， 也可以避免競爭條件的方法， 而且事務(wù)本身的實(shí)現(xiàn)并不復(fù)雜。

-- redis.io/

Lua 腳本是另一種形式的事務(wù)，他具備一定的原子性，但腳本報(bào)錯(cuò)的情況下，事務(wù)并不會(huì)回滾。Lua 腳本可以保證隔離性，而且可以完美的支持后面的步驟依賴前面步驟的結(jié)果。

Lua 腳本模式的身影幾乎無處不在，比如分布式鎖、延遲隊(duì)列、搶紅包等場景。

不過在編寫 Lua 腳本時(shí)，要注意如下兩點(diǎn)：

0. 為了避免 Redis 阻塞，Lua 腳本業(yè)務(wù)邏輯不能過于復(fù)雜和耗時(shí)；

1. 仔細(xì)檢查和測試 Lua 腳本 ，因?yàn)閳?zhí)行 Lua 腳本具備一定的原子性，不支持回滾。

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