Golang 实现 Redis(10): 本地原子性事务

为了支持多个命令的原子性执行 Redis 提供了事务机制。 Redis 官方文档中称事务带有以下两个重要的保证：

• 事务是一个单独的隔离操作：事务中的所有命令都会序列化、按顺序地执行。事务在执行的过程中，不会被其他客户端发送来的命令请求所打断。
• 事务是一个原子操作：事务中的命令要么全部被执行，要么全部都不执行

https://redis.io/docs/manual/transactions/

我们在使用事务的过程中可能会遇到两类错误:

1. 在命令入队过程中出现语法错误
2. 在命令执行过程中出现运行时错误，比如对 string 类型的 key 进行 lpush 操作

在遇到语法错误时 Redis 会中止命令入队并丢弃事务。在遇到运行时错误时 Redis 仅会报错然后继续执行事务中剩下的命令，不会像大多数数据库那样回滚事务。对此，Redis 官方的解释是：

Redis 命令只会因为错误的语法而失败（并且这些问题不能在入队时发现），或是命令用在了错误类型的键上面：这也就是说，从实用性的角度来说，失败的命令是由编程错误造成的，而这些错误应该在开发的过程中被发现，而不应该出现在生产环境中。
因为不需要对回滚进行支持，所以 Redis 的内部可以保持简单且快速。
有种观点认为 Redis 处理事务的做法会产生 bug ， 然而需要注意的是， 在通常情况下， 回滚并不能解决编程错误带来的问题。 举个例子， 如果你本来想通过 INCR 命令将键的值加上 1 ， 却不小心加上了 2 ， 又或者对错误类型的键执行了 INCR ， 回滚是没有办法处理这些情况的。鉴于没有任何机制能避免程序员自己造成的错误， 并且这类错误通常不会在生产环境中出现， 所以 Redis 选择了更简单、更快速的无回滚方式来处理事务。

emmmm, 接下来我们尝试在 Godis 中实现具有原子性、隔离性的事务吧。

事务的原子性具有两个特点：1. 事务执行过程不可被其它事务(线程)插入 2. 事务要么完全成功要么完全不执行，不存在部分成功的状态
事务的隔离性是指事务中操作的结果是否对其它并发事务可见。由于KV数据库不存在幻读问题，因此我们需要避免脏读和不可重复度问题。

事务机制浅析

锁

与 Redis 的单线程引擎不同 godis 的存储引擎是并行的，因此需要设计锁机制来保证执行多条命令执行时的原子性和隔离性。

我们在实现内存数据库一文中提到:

实现一个常规命令需要提供3个函数:

• ExecFunc 是实际执行命令的函数
• PrepareFunc 在 ExecFunc 前执行，负责分析命令行读写了哪些 key 便于进行加锁
• UndoFunc 仅在事务中被使用，负责准备 undo logs 以备事务执行过程中遇到错误需要回滚。

其中的 PrepareFunc 会分析命令行返回要读写的 key, 以 prepareMSet 为例:

// return writtenKeys, readKeys
func prepareMSet(args [][]byte) ([]string, []string) {
	size := len(args) / 2
	keys := make([]string, size)
	for i := 0; i < size; i++ {
		keys[i] = string(args[2*i])
	}
	return keys, nil
}

结合实现内存数据库 中提到的 LockMap 即可完成加锁。由于其它协程无法获得相关 key 的锁所以不可能插入到事务中，所以我们实现了原子性中不可被插入的特性。

事务需要把所有 key 一次性完成加锁, 只有在事务提交或回滚时才能解锁。不能用到一个 key 就加一次锁用完就解锁，这种方法可能导致脏读：

时间	事务1	事务2
t1	锁定key A
t2	修改key A
t3	解锁key A
t4		锁定key A
t4		读取key A
t5		解锁key A
t6	提交

如上图所示 t4 时刻， 事务 2 读到了事务 1未提交的数据，出现了脏读异常。

回滚

为了在遇到运行时错误时事务可以回滚（原子性），可用的回滚方式有两种：

• 保存修改前的value, 在回滚时用修改前的value进行覆盖
• 使用回滚命令来撤销原命令的影响。举例来说：键A原值为1，调用了Incr A 之后变为了2，我们可以再执行一次Set A 1命令来撤销 incr 命令。

出于节省内存的考虑我们最终选择了第二种方案。比如 HSet 命令只需要另一条 HSet 将 field 改回原值即可，若采用保存 value 的方法我们则需要保存整个 HashMap。类似情况的还有 LPushRPop 等命令。

有一些命令可能需要多条命令来回滚，比如回滚 Del 时不仅需要恢复对应的 key-value 还需要恢复 TTL 数据。或者 Del 命令删除了多个 key 时，也需要多条命令进行回滚。综上我们给出 UndoFunc 的定义：

// UndoFunc returns undo logs for the given command line
// execute from head to tail when undo
type UndoFunc func(db *DB, args [][]byte) []CmdLine

我们以可以回滚任意操作的rollbackGivenKeys为例进行说明，当然使用rollbackGivenKeys的成本较高，在可能的情况下尽量实现针对性的 undo log.

func rollbackGivenKeys(db *DB, keys ...string) []CmdLine {
	var undoCmdLines [][][]byte
	for _, key := range keys {
		entity, ok := db.GetEntity(key)
		if !ok {
			// 原来不存在 key 删掉
			undoCmdLines = append(undoCmdLines,
				utils.ToCmdLine("DEL", key),
			)
		} else {
			undoCmdLines = append(undoCmdLines,
				utils.ToCmdLine("DEL", key), // 先把新 key 删除掉
				aof.EntityToCmd(key, entity).Args, // 把 DataEntity 序列化成命令行
				toTTLCmd(db, key).Args,
			)
		}
	}
	return undoCmdLines
}

接下来看一下 EntityToCmd, 非常简单易懂：

func EntityToCmd(key string, entity *database.DataEntity) *protocol.MultiBulkReply {
	if entity == nil {
		return nil
	}
	var cmd *protocol.MultiBulkReply
	switch val := entity.Data.(type) {
	case []byte:
		cmd = stringToCmd(key, val)
	case *List.LinkedList:
		cmd = listToCmd(key, val)
	case *set.Set:
		cmd = setToCmd(key, val)
	case dict.Dict:
		cmd = hashToCmd(key, val)
	case *SortedSet.SortedSet:
		cmd = zSetToCmd(key, val)
	}
	return cmd
}

var hMSetCmd = []byte("HMSET")

func hashToCmd(key string, hash dict.Dict) *protocol.MultiBulkReply {
	args := make([][]byte, 2+hash.Len()*2)
	args[0] = hMSetCmd
	args[1] = []byte(key)
	i := 0
	hash.ForEach(func(field string, val interface{}) bool {
		bytes, _ := val.([]byte)
		args[2+i*2] = []byte(field)
		args[3+i*2] = bytes
		i++
		return true
	})
	return protocol.MakeMultiBulkReply(args)
}

Watch

Redis Watch 命令用于监视一个(或多个) key ，如果在事务执行之前这个(或这些) key 被其他命令所改动，那么事务将被放弃。

实现 Watch 命令的核心是发现 key 是否被改动，我们使用简单可靠的版本号方案：为每个 key 存储一个版本号，版本号变化说明 key 被修改了:

// database/single_db.go
func (db *DB) GetVersion(key string) uint32 {
	entity, ok := db.versionMap.Get(key)
	if !ok {
		return 0
	}
	return entity.(uint32)
}

// database/transaciton.go
func Watch(db *DB, conn redis.Connection, args [][]byte) redis.Reply {
	watching := conn.GetWatching()
	for _, bkey := range args {
		key := string(bkey)
		watching[key] = db.GetVersion(key) // 将当前版本号存在 conn 对象中
	}
	return protocol.MakeOkReply()
}

在执行事务前比较版本号：

// database/transaciton.go
func isWatchingChanged(db *DB, watching map[string]uint32) bool {
	for key, ver := range watching {
		currentVersion := db.GetVersion(key)
		if ver != currentVersion {
			return true
		}
	}
	return false
}

源码导读

在了解事务相关机制后，我们可以来看一下事务执行的核心代码 ExecMulti

func (db *DB) ExecMulti(conn redis.Connection, watching map[string]uint32, cmdLines []CmdLine) redis.Reply {
	// 准备阶段
	// 使用 prepareFunc 获取事务要读写的 key
	writeKeys := make([]string, 0) // may contains duplicate
	readKeys := make([]string, 0)
	for _, cmdLine := range cmdLines {
		cmdName := strings.ToLower(string(cmdLine[0]))
		cmd := cmdTable[cmdName]
		prepare := cmd.prepare
		write, read := prepare(cmdLine[1:])
		writeKeys = append(writeKeys, write...)
		readKeys = append(readKeys, read...)
	}
	watchingKeys := make([]string, 0, len(watching))
	for key := range watching {
		watchingKeys = append(watchingKeys, key)
	}
	readKeys = append(readKeys, watchingKeys...)
	// 将要读写的 key 和被 watch 的 key 一起加锁
	db.RWLocks(writeKeys, readKeys)
	defer db.RWUnLocks(writeKeys, readKeys)

	// 检查被 watch 的 key 是否发生了改变
	if isWatchingChanged(db, watching) { // watching keys changed, abort
		return protocol.MakeEmptyMultiBulkReply()
	}

	// 执行阶段
	results := make([]redis.Reply, 0, len(cmdLines))
	aborted := false
	undoCmdLines := make([][]CmdLine, 0, len(cmdLines))
	for _, cmdLine := range cmdLines {
		// 在命令执行前再准备 undo log, 这样才能保证例如用 decr 回滚 incr 命令的实现可以正常工作
		undoCmdLines = append(undoCmdLines, db.GetUndoLogs(cmdLine))
		result := db.execWithLock(cmdLine)
		if protocol.IsErrorReply(result) {
			aborted = true
			// don't rollback failed commands
			undoCmdLines = undoCmdLines[:len(undoCmdLines)-1]
			break
		}
		results = append(results, result)
	}
	// 执行成功
	if !aborted { 
		db.addVersion(writeKeys...)
		return protocol.MakeMultiRawReply(results)
	}
	// 事务失败进行回滚
	size := len(undoCmdLines)
	for i := size - 1; i >= 0; i-- {
		curCmdLines := undoCmdLines[i]
		if len(curCmdLines) == 0 {
			continue
		}
		for _, cmdLine := range curCmdLines {
			db.execWithLock(cmdLine)
		}
	}
	return protocol.MakeErrReply("EXECABORT Transaction discarded because of previous errors.")
}