Redis事务实现的底层原理剖析

Redis事务概述

Redis 是一种基于键值对的高性能非关系型数据库，广泛应用于缓存、消息队列、分布式锁等场景。事务是 Redis 提供的一项重要功能，它允许用户将多个命令组合在一起，作为一个原子操作执行。在 Redis 事务中，要么所有命令都成功执行，要么都不执行。

Redis 事务主要由三个命令组成：MULTI、EXEC 和 DISCARD。MULTI 用于标记事务的开始，EXEC 用于执行事务中的所有命令，DISCARD 用于取消事务。

以下是一个简单的 Redis 事务示例：

import redis

r = redis.Redis(host='localhost', port=6379, db=0)

# 开启事务
pipe = r.pipeline()

# 加入事务命令
pipe.set('key1', 'value1')
pipe.get('key1')

# 执行事务
result = pipe.execute()
print(result)

在上述 Python 代码中，使用 redis - py 库操作 Redis。首先通过 pipeline() 方法开启一个事务管道，然后向管道中添加 set 和 get 命令，最后通过 execute() 方法执行事务。

Redis事务底层实现数据结构

事务状态（multiState）

在 Redis 内部，使用 multiState 结构体来表示事务状态。multiState 结构体定义在 server.h 文件中，主要包含以下几个重要字段：

typedef struct multiState {
    multiCmd *commands;  // 事务命令数组
    int count;           // 事务命令数量
    int minreplicas;     // 最小副本数
    time_t minreplicas_timeout; // 最小副本超时时间
} multiState;

1. commands：这是一个 multiCmd 类型的数组，用于存储事务中的所有命令。multiCmd 结构体定义如下：

typedef struct multiCmd {
    robj **argv;        // 命令参数数组
    int argc;           // 命令参数个数
    struct redisCommand *cmd; // 命令指针
} multiCmd;

argv 是一个 robj 类型的指针数组，robj 是 Redis 中表示对象的结构体，用于存储命令的参数。argc 表示命令参数的个数，cmd 是指向 redisCommand 结构体的指针，redisCommand 结构体定义了 Redis 所有命令的相关信息，如命令名、实现函数等。

2. count：表示事务中命令的数量。它记录了 commands 数组中已经存储的命令个数。

3. minreplicas 和 minreplicas_timeout：这两个字段主要用于 Redis 集群模式下的同步复制。minreplicas 表示执行事务时需要同步的最小副本数，minreplicas_timeout 表示等待副本同步的超时时间。

客户端状态（client）

Redis 使用 client 结构体来表示每个客户端连接，该结构体也定义在 server.h 文件中。在事务相关的操作中，client 结构体中有几个重要字段与事务相关：

typedef struct client {
    multiState mstate;  // 事务状态
    int flags;          // 客户端标志，包含是否处于事务状态等标志位
    // 其他字段省略
} client;

1. mstate：类型为 multiState，用于存储当前客户端事务的具体状态，如事务中的命令等信息。

2. flags：这是一个整数类型的字段，使用位运算来表示不同的标志。其中与事务相关的标志有 CLIENT_MULTI，当这个标志位被设置时，表示当前客户端处于事务状态。

Redis事务命令实现过程

MULTI命令

当客户端发送 MULTI 命令时，Redis 服务器会执行 multiCommand 函数，该函数定义在 t_mset.c 文件中。主要逻辑如下：

void multiCommand(client *c) {
    if (c->flags & CLIENT_MULTI) {
        addReplyError(c, "MULTI calls can not be nested");
        return;
    }
    c->flags |= CLIENT_MULTI;
    addReply(c, shared.ok);
}

1. 首先检查客户端的 flags 字段是否已经设置了 CLIENT_MULTI 标志。如果已经设置，说明当前客户端已经处于事务状态，不允许嵌套调用 MULTI 命令，此时向客户端返回错误信息。
2. 如果客户端不在事务状态，则设置 CLIENT_MULTI 标志，表示客户端进入事务状态，并向客户端返回 OK 响应。

事务命令入队

在客户端处于事务状态（即 CLIENT_MULTI 标志被设置）时，客户端发送的命令不会立即执行，而是被放入事务队列中。以 SET 命令为例，当客户端在事务状态下发送 SET 命令时，Redis 会执行 setCommand 函数，但在事务状态下，setCommand 函数会将命令入队，而不是直接执行。具体逻辑如下（简化版）：

void setCommand(client *c) {
    if (c->flags & CLIENT_MULTI) {
        robj **argv = zmalloc(sizeof(robj*)*3);
        argv[0] = createStringObject("SET", 3);
        argv[1] = c->argv[1];
        argv[2] = c->argv[2];
        int argc = 3;
        struct redisCommand *cmd = lookupCommand("SET");
        multiCmd *mc = zmalloc(sizeof(multiCmd));
        mc->argv = argv;
        mc->argc = argc;
        mc->cmd = cmd;
        c->mstate.commands = zrealloc(c->mstate.commands, sizeof(multiCmd)*(c->mstate.count + 1));
        c->mstate.commands[c->mstate.count++] = *mc;
        addReply(c, shared.queued);
        return;
    }
    // 非事务状态下的SET命令执行逻辑省略
}

1. 首先检查客户端是否处于事务状态（c->flags & CLIENT_MULTI）。如果是，则为 multiCmd 结构体分配内存，并将命令参数和命令指针填充到 multiCmd 结构体中。
2. 然后将 multiCmd 结构体添加到 client 结构体的 mstate.commands 数组中，并增加 mstate.count 的值。
3. 最后向客户端返回 QUEUED 响应，表示命令已成功入队。

EXEC命令

当客户端发送 EXEC 命令时，Redis 服务器会执行 execCommand 函数，该函数定义在 t_mset.c 文件中。主要逻辑如下：

void execCommand(client *c) {
    int j;
    robj **orig_argv;
    int orig_argc;
    struct redisCommand *orig_cmd;
    if (!(c->flags & CLIENT_MULTI)) {
        addReplyError(c, "EXEC without MULTI");
        return;
    }
    unwatchAllKeys(c);
    c->flags &= ~CLIENT_MULTI;
    if (c->mstate.count == 0) {
        addReply(c, shared.nullmultibulk);
        return;
    }
    orig_argv = c->argv;
    orig_argc = c->argc;
    orig_cmd = c->cmd;
    for (j = 0; j < c->mstate.count; j++) {
        multiCmd *mc = c->mstate.commands + j;
        c->argc = mc->argc;
        c->argv = mc->argv;
        c->cmd = mc->cmd;
        call(c, CMD_CALL_FULL);
    }
    c->argv = orig_argv;
    c->argc = orig_argc;
    c->cmd = orig_cmd;
    resetClientMultiState(c);
    // 处理事务结果并回复客户端省略
}

1. 首先检查客户端是否处于事务状态。如果客户端没有通过 MULTI 命令开启事务而直接发送 EXEC 命令，向客户端返回错误信息。
2. 调用 unwatchAllKeys(c) 函数取消客户端对所有键的监视（如果客户端使用了 WATCH 命令）。
3. 清除客户端的 CLIENT_MULTI 标志，表示事务结束。
4. 如果事务队列中没有命令（c->mstate.count == 0），向客户端返回空的多批量回复（nullmultibulk）。
5. 遍历事务队列中的所有命令，将当前命令的参数和命令指针赋值给客户端的 argv、argc 和 cmd 字段，然后调用 call 函数执行命令。call 函数会根据命令类型执行相应的命令处理逻辑。
6. 执行完所有命令后，恢复客户端原来的 argv、argc 和 cmd 字段，并调用 resetClientMultiState(c) 函数重置客户端的事务状态。
7. 最后处理事务执行结果并回复客户端，这部分逻辑省略。

DISCARD命令

当客户端发送 DISCARD 命令时，Redis 服务器会执行 discardCommand 函数，该函数定义在 t_mset.c 文件中。主要逻辑如下：

void discardCommand(client *c) {
    if (!(c->flags & CLIENT_MULTI)) {
        addReplyError(c, "DISCARD without MULTI");
        return;
    }
    unwatchAllKeys(c);
    c->flags &= ~CLIENT_MULTI;
    resetClientMultiState(c);
    addReply(c, shared.ok);
}

1. 首先检查客户端是否处于事务状态。如果客户端没有通过 MULTI 命令开启事务而直接发送 DISCARD 命令，向客户端返回错误信息。
2. 调用 unwatchAllKeys(c) 函数取消客户端对所有键的监视。
3. 清除客户端的 CLIENT_MULTI 标志，表示事务取消。
4. 调用 resetClientMultiState(c) 函数重置客户端的事务状态，释放事务队列等相关资源。
5. 向客户端返回 OK 响应，表示事务已成功取消。

Redis事务的原子性与一致性

原子性保证

Redis 事务的原子性是通过将多个命令放入事务队列，然后在 EXEC 命令执行时顺序执行队列中的命令来实现的。在执行 EXEC 命令期间，Redis 服务器不会中断事务的执行去处理其他客户端的请求，直到事务中的所有命令都执行完毕或者出现错误。

例如，假设有两个客户端同时对同一个键进行操作，客户端 A 开启事务并执行 INCR 命令，客户端 B 也尝试对同一个键执行 SET 命令。由于 Redis 单线程的特性，在客户端 A 执行 EXEC 命令期间，客户端 B 的命令不会被执行，从而保证了客户端 A 事务中 INCR 命令的原子性。

一致性保证

1. 入队错误：在事务命令入队过程中，如果某个命令的格式不正确，例如参数个数错误等，Redis 会将该命令入队失败，并向客户端返回错误信息。在执行 EXEC 命令时，整个事务会被取消，不会执行任何命令，从而保证了数据的一致性。例如：

import redis

r = redis.Redis(host='localhost', port=6379, db=0)
pipe = r.pipeline()
# 错误的命令，SET命令应该有两个参数
pipe.execute_command('SET', 'key1')
try:
    result = pipe.execute()
except redis.ResponseError as e:
    print(f"Error: {e}")

在上述 Python 代码中，故意向事务管道中添加一个参数个数错误的 SET 命令，执行 execute() 方法时会捕获到 ResponseError 异常，事务不会执行。

2. 运行时错误：如果在事务执行过程中（即 EXEC 命令执行期间）某个命令执行失败，例如对一个非数字类型的键执行 INCR 命令，Redis 会继续执行事务中的其他命令，不会回滚已经执行的命令。这是因为 Redis 设计事务主要是为了方便用户将多个命令组合在一起执行，而不是像关系型数据库那样提供严格的事务回滚机制。虽然这种方式在某些情况下可能导致数据不一致，但在大多数 Redis 的应用场景中，用户可以通过业务逻辑来处理这种情况。例如：

import redis

r = redis.Redis(host='localhost', port=6379, db=0)
pipe = r.pipeline()
pipe.set('key1', 'value1')
# 对非数字类型的键执行INCR命令，会失败
pipe.incr('key1')
pipe.set('key2', 'value2')
try:
    result = pipe.execute()
except redis.ResponseError as e:
    print(f"Error: {e}")

在上述代码中，key1 被设置为字符串类型的值 value1，然后尝试对其执行 INCR 命令会失败，但 key2 的 SET 命令仍然会执行。

Redis事务与WATCH机制

WATCH命令原理

WATCH 命令用于监视一个或多个键。当执行 EXEC 命令时，如果被监视的键在事务开启后被其他客户端修改过，那么整个事务将被取消，EXEC 命令返回 nil，表示事务执行失败。

Redis 使用 watched_keys 链表来记录每个客户端监视的键。watched_keys 链表节点定义如下：

typedef struct watchedKey {
    client *client;  // 监视该键的客户端
    robj *key;       // 被监视的键
    struct watchedKey *next; // 指向下一个节点的指针
} watchedKey;

当客户端发送 WATCH 命令时，Redis 会将被监视的键添加到客户端的 watched_keys 链表中。例如，执行 WATCH key1 key2 命令，Redis 会为每个键创建一个 watchedKey 节点，并将其添加到客户端的 watched_keys 链表中。

键修改检测

在 Redis 执行写命令（如 SET、DEL 等）时，除了执行正常的命令逻辑外，还会检查是否有客户端监视了该键。如果有，则会将所有监视该键的客户端的 flags 字段设置 CLIENT_DIRTY_CAS 标志，表示该客户端的事务可能因为键被修改而需要取消。

当客户端执行 EXEC 命令时，Redis 会检查客户端的 flags 字段是否设置了 CLIENT_DIRTY_CAS 标志。如果设置了，则取消事务的执行，并向客户端返回 nil。

以下是一个使用 WATCH 命令的示例：

import redis

r = redis.Redis(host='localhost', port=6379, db=0)

# 客户端1监视key1
r.watch('key1')
value1 = r.get('key1')
# 客户端2修改key1
r.set('key1', 'new_value')
pipe = r.pipeline()
pipe.multi()
pipe.incr('key1')
try:
    result = pipe.execute()
except redis.WatchError:
    print("Transaction cancelled due to key modification")

在上述 Python 代码中，客户端 1 首先使用 watch 方法监视 key1，获取 key1 的值后，客户端 2 修改了 key1 的值。此时客户端 1 执行事务时会捕获到 WatchError 异常，表示事务由于键被修改而取消。

Redis事务在集群模式下的实现

集群模式概述

Redis 集群是一种分布式部署方式，它将数据分布在多个节点上，以实现高可用性和扩展性。在 Redis 集群中，数据根据键的哈希值分布到不同的节点上，每个节点负责一部分数据。

事务实现差异

1. 命令路由：在集群模式下，客户端发送的事务命令需要经过路由才能到达正确的节点。当客户端发送 MULTI 命令时，集群节点会检查事务中的所有命令，确保这些命令操作的键都在同一个节点上（即符合“同槽规则”）。如果不符合，集群节点会向客户端返回错误信息。
2. 同步复制：为了保证事务的一致性，Redis 集群引入了 minreplicas 和 minreplicas_timeout 配置参数。当执行 EXEC 命令时，主节点会等待至少 minreplicas 个从节点同步完事务数据后才向客户端返回成功响应。如果等待时间超过 minreplicas_timeout，主节点会向客户端返回错误信息。

例如，在 Redis 集群配置文件中，可以设置 minreplicas 2 和 minreplicas_timeout 5，表示执行事务时需要等待至少 2 个从节点同步，等待时间为 5 秒。

代码示例（集群模式下的事务操作）

使用 redis - py - cluster 库进行集群模式下的事务操作示例：

from rediscluster import RedisCluster

# 初始化集群客户端
startup_nodes = [{"host": "127.0.0.1", "port": "7000"}]
rc = RedisCluster(startup_nodes=startup_nodes, decode_responses=True)

# 开启事务
pipe = rc.pipeline()

# 加入事务命令
pipe.set('key1', 'value1')
pipe.get('key1')

# 执行事务
try:
    result = pipe.execute()
    print(result)
except Exception as e:
    print(f"Error: {e}")

在上述代码中，使用 redis - py - cluster 库连接 Redis 集群，并进行事务操作。如果事务中的命令不符合“同槽规则”，执行 execute() 方法时会抛出异常。

通过对 Redis 事务底层原理的剖析，我们了解了 Redis 事务的实现机制、数据结构、命令执行过程以及在不同场景下的特点。这有助于开发者更好地利用 Redis 事务来构建可靠、高效的应用程序。无论是在单节点环境还是集群模式下，掌握 Redis 事务的原理对于优化应用性能和保证数据一致性都具有重要意义。