2017-05-24

Redis事务及CAS(Check-And-Set)机制

Redis事务

在web/activity中见过事务机制保证发券环节对券码存量校验，这是典型的并发、读写操作的实例。

Redis的事务机制Transaction通过四个命令来完成：MULTI, EXEC, DISCARD and WATCH，建议精读链接文章对Redis事务机制有详细介绍。

Redis事务机制特性

事务(transaction)的定义从multi开始，到exec结束。
同一个事务内的多个命令，具有原子性，不会被打断

It can never happen that a request issued by another client is served in the middle of the execution of a Redis transaction. This guarantees that the commands are executed as a single isolated operation.

实例一：multi和exec之间的命令不会被其他并发处理打断，事务原子性

clientA:
127.0.0.1:6379> multi
OK
127.0.0.1:6379> set hello a
QUEUED

// clientB cocurrently set hello to b

127.0.0.1:6379> get hello
QUEUED
127.0.0.1:6379> exec
1) OK
2) "a"

clientB:
127.0.0.1:6379> set hello b
OK

实例二：注意理解incr和set操作的区别

clientA: 
127.0.0.1:6379> set hello 1
OK

127.0.0.1:6379> multi
OK
127.0.0.1:6379> incr hello // 
QUEUED
// clientB cocurrently set hello to 22
127.0.0.1:6379> get hello
QUEUED
127.0.0.1:6379> exec
1) (integer) 23
2) "23"

// clientB:
127.0.0.1:6379> set hello 22
OK

事务内的命令要么全部执行(仅指入带执行的命令队列成功)，要么都不执行

Either all of the commands or none are processed, so a Redis transaction is also atomic.

multi执行之前断开连接，则全部命令不会执行；exec执行之后，所有命令操作都会被执行。

注意：这里仅仅指命令的执行，但同一事务内命令执行与否，并不意味着执行成功(存在命令执行后，返回异常的情况)。

事务期间的错误情况

命令入待执行命令队列失败，此时在exec前就会有错误：命令语法错误、内存不足等极端情况, 此时一般会中断事务，自动discard事务。

127.0.0.1:6379> multi
OK
127.0.0.1:6379> set hello 1
QUEUED
127.0.0.1:6379> lget hello // 非法的命令导致错误
(error) ERR unknown command 'lget'
127.0.0.1:6379> exec
(error) EXECABORT Transaction discarded because of previous errors.

在执行exec后部分命令可能失败：即使部分命令失败，其他命令仍将正常执行完成
实例三：在执行exec后部分命令可能失败

127.0.0.1:6379> multi
OK
127.0.0.1:6379> set hello 1
QUEUED
127.0.0.1:6379> lset hello 0 1 // 该命令可被执行，但执行失败
QUEUED
127.0.0.1:6379> exec
1) OK
2) (error) WRONGTYPE Operation against a key holding the wrong kind of value
127.0.0.1:6379> get hello // 事务中的第一步执行成功
"1"

CAS(Check-And-Set)支持

watch已监视的key，只允许在当前终端的multi和exec见被修改，其他情况的修改都将导致watch和此事务的失败。

CAS的实现主要通过watch命令完成，也就是说在watch一个key后，其他终端修改此key的值时，都将触发当前事务的失败。
实例：

// clientA
127.0.0.1:6379> watch hello
OK
127.0.0.1:6379> multi
OK
// clientB cocurrently set hello to 33
127.0.0.1:6379> set hello 2
QUEUED
127.0.0.1:6379> exec // watched hello changed, exec will fail
(nil)

// clientB:
127.0.0.1:6379> set hello 33
OK

// redis monitor
1496247607.225085 [0 127.0.0.1:43168] "watch" "hello"
1496247611.476334 [0 127.0.0.1:43168] "multi"
1496247626.275239 [0 127.0.0.1:43216] "set" "hello" "33"
1496247632.092549 [0 127.0.0.1:43168] "exec"

注意：当前终端的watch和multi之间对key的修改，也会触发事务的失败详细。

predis的CAS使用

Laravel项目中有phpredis和predis两个扩展支持redis, phpredis是C实现扩展，需要编译安装，性能卓越；predis是php实现扩展，安装方便(composer install)，线上部署无需变更

这里对predis下使用Redis的事务机制展开说明

Check-And-Set：
示例代码：https://github.com/nrk/predis/blob/v1.1/examples/transaction_using_cas.php

function zpop($client, $key)
{
    $element = null;
    $options = array(
        'cas' => true,      // Initialize with support for CAS operations
        'watch' => $key,    // Key that needs to be WATCHed to detect changes
        'retry' => 3,       // Number of retries on aborted transactions, after
                            // which the client bails out with an exception.
    );
    $client->transaction($options, function ($tx) use ($key, &$element) {
        @list($element) = $tx->zrange($key, 0, 0);
        if (isset($element)) {
            $tx->multi();   // With CAS, MULTI *must* be explicitly invoked.
            $tx->zrem($key, $element);
        }
    });
    return $element;
}
$client = new Predis\Client($single_server);
$zpopped = zpop($client, 'zset');
echo isset($zpopped) ? "ZPOPed $zpopped" : 'Nothing to ZPOP!', PHP_EOL;

在cas模式下，predis使用的注意事项：

必须显式的调用$tx->multi()
在调用multi之前必须显式的调用任何命令$tx->validRedisCmd()，否则直接调用multi并不会执行multi指令
cas的目的是监视某个key在此期间不会变化，所以应用场景应该是：取某个key的值，做一些操作，再对此key执行其他命令
这里不合适的引用下php.net对memcached::cas()的解释来辅助理解

Memcached::cas() performs a “check and set” operation, so that the item will be stored only if no other client has updated it since it was last fetched by this client.
cas = check and set, 某项将在没有其他终端修改的前提下保存，即当前终端是最新一次获取此项的值

实例：Lravel下通过predis的事务的CAS(check-and-set)机制保证竞争条件下的数据一致性

use Illuminate\Support\Facades\Redis;

$keyTotal = 'key-total';
$keyOneUser = 'key-one-user';
$total = 10;
$oneUserLimit = 2;
$options = [
    "cas" => true,
    "watch" => [$keyTotal, $keyOneUser], // watch multi keys
    "retry" => 3
];
try {
    $redis = Redis::connection('redis_conn');
    $transFunc = function ($tx) use ($keyTotal, $keyOneUser, $total, $oneUserLimit) {
        $curTotal = $tx->get($keyTotal);
        $curLimit = $tx->get($keyOneUser);
        if ($curTotal >= $total || $curLimit >= $oneUserLimit) {
            \Log::info('[Rule ruleUpdateCasTransaction] out of limit, ' . "$keyTotal:$curTotal>=$total,$keyOneUser:$curLimit>=$oneUserLimit");
            return false;
        }
        $tx->multi(); // cas模式下必须调用multi，调用multi前必须执行其他redis命令初始化配置
        $tx->incr($keyTotal);
        $tx->incr($keyOneUser);
    };
    $redis->transaction($options, $transFunc);
    return true;
} catch (\Exception $e) {
    \Log::error("[Rule ruleCntDec]Fail to $type for total and limit, e:" . $e);
    return false;
}

Redis monitor命令下的cas事务执行过程：

1496242439.690785 [0 127.0.0.1:43126] "AUTH" "e3b8d1e0xxxxxxxxxxxxxxVpEi"
1496242439.691136 [0 127.0.0.1:43126] "SELECT" "4"
1496242439.691356 [4 127.0.0.1:43126] "WATCH" "key-total" "key-one-user"
1496242439.691493 [4 127.0.0.1:43126] "GET" "key-total"
1496242439.691643 [4 127.0.0.1:43126] "GET" "key-one-user"
1496242439.691834 [4 127.0.0.1:43126] "MULTI"
1496242439.692136 [4 127.0.0.1:43126] "INCR" "key-total"
1496242439.692146 [4 127.0.0.1:43126] "INCR" "key-one-user"
1496242439.692152 [4 127.0.0.1:43126] "EXEC"

小武

Redis事务及CAS(Check-And-Set)机制

Redis事务

Redis事务机制特性

CAS(Check-And-Set)支持

predis的CAS使用

参考阅读