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硬核|RedisPub/Sub發(fā)布訂閱與宅男有什么關(guān)系？

今天不聊小姐姐，深入了解下 「Redis 發(fā)布/訂閱機制」的原理與實戰(zhàn)運用。

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Redis 通過 SUBSCRIBE，UNSUBSCRIBE和PUBLISH 實現(xiàn)發(fā)布訂閱消息傳遞模式，Redis 提供了兩種模式實現(xiàn)，分別是「發(fā)布/訂閱到頻道」和「發(fā)布\訂閱到模式」。

Redis 發(fā)布訂閱簡介

Redis 發(fā)布訂閱（Pus/Sub）是一種消息通信模式：發(fā)送者通過 PUBLISH發(fā)布消息，訂閱者通過 SUBSCRIBE 訂閱接收消息或通過UNSUBSCRIBE 取消訂閱。

主要包含三個部分組成：「發(fā)布者」、「訂閱者」、「Channel」。

發(fā)布者和訂閱者屬于客戶端，Channel 是 Redis 服務(wù)端，發(fā)布者將消息發(fā)布到頻道，訂閱這個頻道的訂閱者則收到消息。

如下圖所示，三個「訂閱者」訂閱「ChannelA」頻道：

訂閱

這時候，小組長往「ChannelA」發(fā)布消息，這個消息的訂閱者就會收到消息「關(guān)注碼哥字節(jié)，提升技術(shù)」：

發(fā)布/訂閱

Pub/Sub 實戰(zhàn)

廢話不多說，知道基本概念以后，學(xué)習(xí)一個技術(shù)第一步先把它跑起來，接著才是探索原理，從而達到「知其然，知其所以然」的境界 。

一共有兩種模式實現(xiàn)「發(fā)布\訂閱」：

  • 使用頻道（Channel）的發(fā)布訂閱；
  • 使用模式（Pattern）的發(fā)布訂閱。

需要注意的是，發(fā)布訂閱機制與 db 空間無關(guān)，比如在 db 10 發(fā)布， db0 的訂閱者也會收到消息。

通過頻道（Channel）實現(xiàn)

三步走：

  • 訂閱者訂閱頻道；
  • 發(fā)布者向「頻道」發(fā)布消息；
  • 所有訂閱「頻道」的訂閱者收到消息。

訂閱者訂閱頻道

使用 SUBSCRIBE channel [channel ...]訂閱一個或者多個頻道，O(n) 時間復(fù)雜度，n = 訂閱的 Channel 數(shù)量。

SUBSCRIBE develop
Reading messages... (press Ctrl-C to quit)
1) "subscribe" // 消息類型
2) "develop" // 頻道
3) (integer) 1 // 消息內(nèi)容

執(zhí)行該指令后，客戶端進入訂閱狀態(tài)，訂閱者只能使用subscribe、unsubscribe、psubscribe和punsubscribe這四個屬于"發(fā)布/訂閱" 的指令。

客戶端「肖菜雞」訂閱了 「develop」頻道接受組長的消息，消息響應(yīng)體分別表示：

  • 消息類型：subscribe、message、unsubscribe
  • 頻道
  • 消息內(nèi)容：隨著消息類型不同代表不同含義。

進入訂閱后的客戶端可以收到 3 種類型的消息回復(fù)：

  • subscribe：訂閱成功的反饋消息，第二個值是訂閱成功的頻道名稱，第三個是當(dāng)前客戶端訂閱的頻道數(shù)量。
  • message：客戶端接收到消息，第二個值表示產(chǎn)生消息的頻道名稱，第三個值是消息的內(nèi)容。
  • unsubscribe：表示成功取消訂閱某個頻道。第二個值是對應(yīng)的頻道名稱，第三個值是當(dāng)前客戶端訂閱的頻道數(shù)量，當(dāng)此值為 0 時客戶端會退出訂閱狀態(tài)，之后就可以執(zhí)行其他非"發(fā)布/訂閱"模式的命令了。

發(fā)布者發(fā)布消息

小組長使用 PUBLISH channel message 向指定 「develop」頻道發(fā)布消息。

PUBLISH develop 'do job'
(integer) 1

需要注意的是，發(fā)布的消息并不會持久化，消息發(fā)布之后還有新「開發(fā)」靚仔訂閱的話，只能接收后續(xù)發(fā)布到該頻道的消息。

好一個「不問過往，只爭當(dāng)下」。

訂閱者接收消息

關(guān)注了「develop」頻道的訂閱者將會收到「do job」消息。

// 訂閱 develop 頻道
SUBSCRIBE develop
Reading messages... (press Ctrl-C to quit)
1) "subscribe" // 訂閱頻道成功
2) "develop" // 頻道
3) (integer) 1
// 當(dāng)發(fā)布者發(fā)布消息，訂閱者讀取到的消息如下
1) "message" // 接受到消息
2) "develop" // 頻道名稱
3) "do job" // 消息內(nèi)容

退訂頻道

訂閱的反向操作，「65 哥」天天在朋友圈秀恩愛，受不了了，取消訂閱他的朋友圈。

使用 UNSUBSCRIBE 命令可以退訂指定的「模式」不會影響通過 `subscribe 命令訂閱的頻道。

同樣 unsubscribe命令也不會影響通過psubscribe命令訂閱的規(guī)則。

通過模式（Pattern）實現(xiàn)

接下來看另一種方式實現(xiàn)發(fā)布訂閱，如下圖表示當(dāng)「匹配模式」與這個頻道匹配的話，當(dāng)消息向頻道發(fā)布消息，該消息還會發(fā)布到與這個頻道匹配的「模式」上，訂閱這個模式的客戶端也會收到消息。

smile.girl.* 模式表示「你微笑時好美」pattern，與這個模式匹配的兩個頻道是 smile.girls.Tina、smile.girls.maggi ，分別表示喜歡「微笑的 Tina」 和喜歡「微笑的 maggi」的粉絲。

如下圖：

模式匹配

現(xiàn)在 Tina 發(fā)布動態(tài)將消息發(fā)送到 smile.girls.Tina頻道的時候，除了訂閱了 smile.girls.Tina 這個頻道的粉絲收到消息以外，這 個消息還會發(fā)送給訂閱 smile.girl.* 模式的粉絲（因為頻道與模式匹配）。

這些粉絲比較貪心，所有「微笑時好美的 girls」都關(guān)注了，LSP~~，碼哥可不是這樣的人。

模式匹配發(fā)布

使用匹配模式，用 PUBLISH 將消息發(fā)布到訂閱 smile.girls.Tina 客戶端之外，還會將該「頻道」與「pub/sub pattern」中的模式進行對比，如果 Channel 與某個模式匹配的話，也將這個消息發(fā)布到訂閱這個模式的客戶端。

訂閱模式

訂閱模式的指令是PSUBSCRIBE，如下表示 LSP 訂閱「smile.girl.*」模式：

PSUBSCRIBE smile.girls.*
Reading messages... (press Ctrl-C to quit)
1) "psubscribe" // 消息類型
2) "smile.girls.*"http:// 模式
3) (integer) 1 //訂閱數(shù)

對應(yīng)的反向取消模式訂閱的指令是PUNSUBSCRIBE smile.girl.*。

訂閱 「smile.girls.Tina」頻道：

SUBSCRIBE smile.girls.Tina
Reading messages... (press Ctrl-C to quit)
1) "subscribe"
2) "smile.girls.Tina"
3) (integer) 1

訂閱「smile.girls.maggi」頻道：

SUBSCRIBE smile.girls.maggi
Reading messages... (press Ctrl-C to quit)
1) "subscribe"
2) "smile.girls.maggi"
3) (integer) 1

Tina 發(fā)布消息，關(guān)注「smile.girls.Tina」的粉絲和訂閱了與該頻道匹配的「smile.girls.*」模式的粉絲收到消息。

關(guān)注 「smile.girls.*」模式的粉絲收到消息：

PSUBSCRIBE smile.girls.*
Reading messages... (press Ctrl-C to quit)
1) "psubscribe"
2) "smile.girls.*"
3) (integer) 1
//進入訂閱狀態(tài)，接收到消息
1) "pmessage" 消息類型
2) "smile.girls.*"
3) "smile.girls.Tina"
4) "love u" // 消息內(nèi)容

關(guān)注「smile.girls.Tina」的粉絲收到消息：

127.0.0.1:6379> SUBSCRIBE smile.girls.Tina
Reading messages... (press Ctrl-C to quit)
// 訂閱成功
1) "subscribe"
2) "smile.girls.Tina"
3) (integer) 1
// 接收消息
1) "message"
2) "smile.girls.Tina"
3) "love u"

需要注意的是，如果一個客戶端訂閱了與模式匹配的模式和頻道，那么客戶端會收到多次消息。

比如，65 哥 訂閱了「smile.girls.Tina」頻道和「smile.girls.*」模式，那么當(dāng) Tina 發(fā)布動態(tài)到頻道的時候，65 哥會收到兩條票消息，一條消息類型是message，一條類型是pmessage。

Redisson 與 SpringBoot 實戰(zhàn)

官方文檔：https://github.com/redisson/redisson/wiki/6.-distributed-objects/#67-topic

生產(chǎn)者代碼

/**
 * 發(fā)布消息到 Topic
 * @param message 消息
 * @return 接收消息的客戶端數(shù)量
 */
public long sendMessage(String message) {
    RTopic topic = redissonClient.getTopic(CHANNEL);
    long publish = topic.publish(message);
    log.info("生產(chǎn)者發(fā)送消息成功，msg = {}", message);
    return publish;
}

消費者代碼

public void onMessage() {
  // in other thread or JVM
  RTopic topic = redissonClient.getTopic(CHANNEL);
  topic.addListener(String.class, (channel, msg) -> {
    log.info("channel: {} 收到消息 {}.",  channel, msg);
  });
}

需要注意的是，發(fā)布消息與監(jiān)聽消息要運行在不同的 JVM，如果使用同一個 redissonClient 發(fā)布的話，不會監(jiān)聽到自己的消息。

原理分析

我們通過上文知道了發(fā)布訂閱的概念，一共兩種模式實現(xiàn)發(fā)布訂閱。并且運用原生指令和 Redisson 進行實戰(zhàn)。

接下來，我們要深入理解 Redis 如何實現(xiàn)發(fā)布訂閱機制，做到知其然知其所以然。

頻道(Channel)的發(fā)布/訂閱如何實現(xiàn)的？

65 哥，如果是你會使用什么數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)基于頻道來定位對應(yīng)客戶端？

碼哥，我覺得可以字典來實現(xiàn)，字典的 key 對應(yīng)被訂閱的頻道，而字典的值可以使用一個鏈表，鏈表里面保存著訂閱這個頻道的所有客戶端。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

聰明，Redis 使用 redis.h中有一個 redisServer 結(jié)構(gòu)體維護每個服務(wù)器進程表示服務(wù)器狀態(tài)，pubsub_channels 屬性是一個字典，用于保存訂閱頻道的信息。

struct redisServer {
  ...
  /* Pubsub */
   dict *pubsub_channels;
  ...
}

如下圖所示，「碼哥」、「靚仔」訂閱了「redis-channel」，「宅男」「LSP」訂閱了「枝~藤￥由*香-里」：

頻道訂閱發(fā)布原理

發(fā)送消息到頻道

生產(chǎn)者調(diào)用 PUBLISH channel messsage 發(fā)送消息，程序先根據(jù) channel 從 pubsub_channels 定位到字典的 key 所在的桶，接著把消息發(fā)送給這個 key 對應(yīng)的 value 鏈表的所有客戶端。

退訂頻道

UNSUBSCRIBE命令可以退訂指定的頻道：對于字典操作來說，根據(jù) key 找到關(guān)注鏈表，遍歷鏈表，刪除這個客戶端，這樣消息就不會發(fā)送給這個客戶端了。

模式(Pattern)的發(fā)布/訂閱如何實現(xiàn)的？

接下來，我們繼續(xù)看基于模式實現(xiàn)的發(fā)布訂閱原理……

當(dāng)使用 PUBLISH發(fā)布消息到某個頻道的時候，不僅訂閱這個頻道的所有客戶端會收到消息，與這個模式匹配的客戶端也會收到消息。

源碼在 server.h 文件中的redisServer.pubsub_patterns 屬性定義。

struct redisServer {
  ...
  /* A dict of pubsub_patterns */
 dict *pubsub_patterns;
  ...
}

也是 dict 字典類型， key 對應(yīng)「pattern」模式，value 是一個 鏈表類型的結(jié)構(gòu)：list *clients里面包含匹配這個模式的客戶端列表。

當(dāng)執(zhí)行 PSUBSCRIBE smile.girls.*命令的時候，會執(zhí)行pubsubSubscribePattern方法。

在這里我分享下如何定位關(guān)鍵源碼，發(fā)布訂閱我們根據(jù)經(jīng)驗搜索pubsub便能檢索到 pubsub.c：

pubsub.c

碼哥使用 CLion 調(diào)試的 Redis 源碼，跟我們 Java 開發(fā)用的 IDEA 出自于一家，所以快捷鍵都是一樣的，接著使用 Command + F12 彈出方法搜索，找到 pubsubSubscribePattern 訂閱模式的方法。

方法參數(shù)別分表示關(guān)注該模式的客戶端 client *c，和客戶端想要關(guān)注的 *pattern，方法主要邏輯如下：

  • listSearchKey(c->pubsub_patterns,pattern)：根據(jù) pattern 從 redisServer.pubsub_patterns 字典查找是否已經(jīng)存在該模式的 key，存在則調(diào)用addReplyPubsubPatSubscribed 通知客戶端已經(jīng)訂閱過了，否則繼續(xù)執(zhí)行以下邏輯。
  • dictFind(server.pubsub_patterns,pattern)：根據(jù)模式pattern從字典server.pubsub_patterns找到 dictEntry 哈希桶，為空就調(diào)用listCreate()創(chuàng)建客戶端鏈表list *clients，并放到字典中，key = pattern，value = list *clients 鏈表。

哈希桶不為空，那么把當(dāng)前客戶端client *c 添加到list *clients鏈表尾節(jié)點。

訂閱模式源碼

所以模式實現(xiàn)的發(fā)布訂閱也是通過字典來保存模式與客戶端的關(guān)系，如下圖所示：

基于模式實現(xiàn)的發(fā)布訂閱原理

當(dāng)使用 PUBLISH 發(fā)布消息的時候，除了發(fā)布到訂閱channel的客戶端以外，還會將該 channel 與 pubsub_patterns 字典中查找匹配模式 key 對應(yīng)的 value 中的客戶端鏈表，并執(zhí)行消息發(fā)送。

退訂模式

使用 PUNSUBSCRIBE命令可以退訂指定的模式， 這個命令執(zhí)行的是訂閱模式的反操作：根據(jù)模式從 pubsub_patterns字典中找到客戶端鏈表，遍歷鏈表將當(dāng)前客戶端刪除。

總結(jié)

Redis 發(fā)布訂閱功能，主要通過如下命令實現(xiàn)：

  • subscribe channel [channel ...]：訂閱一個或者多個頻道；
  • unsubscribe channel 退訂指定頻道；
  • publish channel message 向指定頻道發(fā)送消息；
  • psubscribe pattern 訂閱指定模式；
  • punsubscribe pattern 退訂指定模式。

Pub/Sub 與數(shù)據(jù)庫無關(guān)，比如在 DB0 上發(fā)布， DB1的訂閱者也將接收到。

基于頻道實現(xiàn)的發(fā)布訂閱信息是由服務(wù)器進程的 redisServer.pubsub_channels 字典保存，key = 被訂閱的頻道，value 是訂閱頻道的所有客戶端鏈表。

當(dāng)消息發(fā)布到頻道的時候，遍歷字典獲取所有客戶端并把消息發(fā)送到頻道的客戶端。

基于模式實現(xiàn)的發(fā)布訂閱的信息保存在字典 pubsub_patterns中，key = pattern，value 是客戶端鏈表。

當(dāng)消息發(fā)布到頻道的時候，除了訂閱該頻道的客戶端收到消息以外，所有訂閱了與頻道匹配的模式的客戶端也會收到消息。

使用場景

說了這么多，Redis 發(fā)布訂閱能在什么場景發(fā)揮作用呢？

哨兵間通信

哨兵集群中，每個哨兵節(jié)點利用 Pub/Sub 發(fā)布訂閱實現(xiàn)哨兵之間的相互發(fā)現(xiàn)彼此和找到 Slave。

哨兵與 Master 建立通信后，利用 master 提供發(fā)布/訂閱機制在__sentinel__:hello發(fā)布自己的信息，比如身高體重、是否單身、IP、端口……，同時訂閱這個頻道來獲取其他哨兵的信息，就這樣實現(xiàn)哨兵間通信。

消息隊列

之前「碼哥」跟大家分享過如何利用 Redis List 與 Stream 實現(xiàn)消息隊列。

我們也可以利用 Redis 發(fā)布訂閱實現(xiàn)輕量級簡單的 MQ 功能，實現(xiàn)上下游解耦，需要注意點是 Redis 發(fā)布訂閱的消息不會被持久化，所以新訂閱的客戶端將收不到歷史消息。

也不支持 ACK 機制，所以當(dāng)前業(yè)務(wù)不能容忍這些缺點，那就使用專業(yè)的消息隊列，如果能容忍那就能享受 Redis 唯快不破的優(yōu)勢。


新聞標(biāo)題：硬核|RedisPub/Sub發(fā)布訂閱與宅男有什么關(guān)系？
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