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Redis watch命令——监控事务

Redis 中使用 watch 命令可以决定事务是执行还是回滚。一般而言,可以在 multi 命令之前使用 watch 命令监控某些键值对,然后使用 multi 命令开启事务,执行各类对数据结构进行操作的命令,这个时候这些命令就会进入队列。

当 Redis 使用 exec 命令执行事务的时候,它首先会去比对被 watch 命令所监控的键值对,如果没有发生变化,那么它会执行事务队列中的命令,提交事务;如果发生变化,那么它不会执行任何事务中的命令,而去事务回滚。无论事务是否回滚,Redis 都会去取消执行事务前的 watch 命令,这个过程如图 1 所示。
Redis执行事务过程
图 1  Redis 执行事务过程

Redis 参考了多线程中使用的 CAS(比较与交换,Compare And Swap)去执行的。在数据高并发环境的操作中,我们把这样的一个机制称为乐观锁。这句话还是比较抽象,也不好理解。

所以先简要论述其操作的过程,当一条线程去执行某些业务逻辑,但是这些业务逻辑操作的数据可能被其他线程共享了,这样会引发多线程中数据不一致的情况。

为了克服这个问题,首先,在线程开始时读取这些多线程共享的数据,并将其保存到当前进程的副本中,我们称为旧值(old value),watch 命令就是这样的一个功能。

然后,开启线程业务逻辑,由 multi 命令提供这一功能。在执行更新前,比较当前线程副本保存的旧值和当前线程共享的值是否一致,如果不一致,那么该数据已经被其他线程操作过,此次更新失败。

为了保持一致,线程就不去更新任何值,而将事务回滚;否则就认为它没有被其他线程操作过,执行对应的业务逻辑,exec 命令就是执行“类似”这样的一个功能。

注意,“类似”这个字眼,因为不完全是,原因是 CAS 原理会产生 ABA 问题。所谓 ABA 问题来自于 CAS 原理的一个设计缺陷,它可能引发 ABA 问题,如表 1 所示。
表 1 ABA问题
时间顺序 线程1 线程2 说明
T1
X=A
线程 1 加入监控 X
T2 复杂运算开始 修改 X=B 线程 2 修改 X,此刻为 B
T3 处理简单业务
T4 修改 X=A 线程 2 修改 X,此刻又变回 A
T5 结束线程 2 线程 2 结束
T6 检测X=A,验证通过,提交事务 CAS 原理检测通过,因为和旧值保持一致

在处理复杂运算的时候,被线程 2 修改的 X 的值有可能导致线程 1 的运算出错,而最后线程 2 将 X 的值修改为原来的旧值 A,那么到了线程 1 运算结束的时间顺序 T6,它将检测 X 的值是否发生变化,就会拿旧值 A 和当前的 X 的值 A 比对,结果是一致的,于是提交事务。

然后在复杂计算的过程中 X 被线程 2 修改过了,这会导致线程 1 的运算出错。在这个过程中,对于线程 2 而言,X 的值的变化为 A->B->A,所以 CAS 原理的这个设计缺陷被形象地称为“ABA 问题”。

仅仅记录一个旧值去比较是不足够的,还要通过其他方法避免 ABA 问题。常见的方法如 Hibernate 对缓存的持久对象(PO)加入字段 version 值,当每次操作一次该 PO,则 version=version+1,这样采用 CAS 原理探测 version 字段,就能在多线程的环境中,排除 ABA 问题,从而保证数据的一致性。

关于 CAS 和乐观锁的概念,本教程还会从更深层次讨论它们,暂时讨论到这里,当讨论完了 CAS 和乐观锁,读者再回头来看这个过程,就会有更深的理解了。

从上面的分析可以看出,Redis 在执行事务的过程中,并不会阻塞其他连接的并发,而只是通过比较 watch 监控的键值对去保证数据的一致性,所以 Redis 多个事务完全可以在非阻塞的多线程环境中并发执行,而且 Redis 的机制是不会产生 ABA 问题的,这样就有利于在保证数据一致的基础上,提高高并发系统的数据读/写性能。

下面演示一个成功提交的事务,如表 2 所示。
表 2 事务检测
时刻 客户端 说   明
T1 set key1 value1 初始化key1
T2 watch key1 监控 key1 的键值对
T3 multi 开启事务
T4 set key2 value2 设置 key2 的值
T5 exec 提交事务,Redis 会在这个时间点检测 key1 的值在 T2 时刻后,有没有被其他命令修改过,如果没有,则提交事务去执行

这里我们使用了 watch 命令设置了一个 key1 的监控,然后开启事务设置 key2,直至 exec 命令去执行事务,这个过程和图 2 所演示的一样。
Redis执行事务
图 2  运行结果

这里我们看到了一个事务的过程,而 key2 也在事务中被成功设置。下面将演示一个提交事务的案例,如表 3 所示。

表 3 提交事务
时刻 客户端1 客户端2 说   明
T1 set key1 value1  
客户端1:返回 OK
T2 watch key1   客户端1:监控 key1
T3 multi   客户端1:开启事务
T4 set key2 value2   客户端1:事务命令入列
T5 —— set key1 vall 客户端2:修改 key1 的值
T6 exec —— 客户端1:执行事务,但是事务会先检査在 T2 时刻被监控的 key1 是否被 其他命令修改过。
因为客户端 2 修改过,所以它会回滚事务,事实上如果客户端执行的是 set key1 value1 命令,它也会认为 key1 被修改过,然后返回(nil),所以是不会产生 ABA 问题的

测试Redis事务回滚
图 3  测试 Redis 事务回滚

在表 3 中有比较详尽的说明,注意 T2 和 T6 时刻命令的说明,使用 Redis 事务要掌握这些内容。

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