Redis进阶篇:发布订阅模式原理与运用

“65 哥,如果你交了个漂亮小姐姐做女朋友,你会通过什么方式将这个消息广而告之给你的微信好友?“

“那不得拍点女朋友的美照 + 亲密照弄一个九宫格图文消息在朋友圈发布大肆宣传,暴击单身狗。”

像这种 65 哥通过朋友圈发布消息,关注 65 哥的好友能收到通知的场景叫做「发布/订阅机制」。

今天不聊小姐姐,深入了解下 「Redis 发布/订阅机制」。的原理与实战运用。

Redis 通过 SUBSCRIBEUNSUBSCRIBEPUBLISH 实现发布订阅消息传递模式,Redis 提供了两种模式实现,分别是「发布/订阅到频道」和「发布订阅到模式」。

Redis 发布订阅简介

Redis 发布订阅(Pus/Sub)是一种消息通信模式:发送者通过 PUBLISH发布消息,订阅者通过 SUBSCRIBE 订阅接收消息或通过UNSUBSCRIBE 取消订阅。

主要包含三个部分组成:「发布者」、「订阅者」、「Channel」。

发布者和订阅者属于客户端,Channel 是 Redis 服务端,发布者将消息发布到频道,订阅这个频道的订阅者则收到消息。

如下图所示,三个「订阅者」订阅「ChannelA」频道:

Redis进阶篇:发布订阅模式原理与运用插图

这时候,小组长往「ChannelA」发布消息,这个消息的订阅者就会收到消息「关注码哥字节,提升技术」:

Redis进阶篇:发布订阅模式原理与运用插图1

Pub/Sub 实战

废话不多说,知道基本概念以后,学习一个技术第一步先把它跑起来,接着才是探索原理,从而达到「知其然,知其所以然」的境界 。

一共有两种模式实现「发布订阅」:

  • 使用频道(Channel)的发布订阅;
  • 使用模式(Pattern)的发布订阅。

需要注意的是,发布订阅机制与 db 空间无关,比如在 db 10 发布, db0 的订阅者也会收到消息。

通过频道(Channel)实现

三步走:

  1. 订阅者订阅频道;
  2. 发布者向「频道」发布消息;
  3. 所有订阅「频道」的订阅者收到消息。

订阅者订阅频道

使用 SUBSCRIBE channel [channel ...]订阅一个或者多个频道,O(n) 时间复杂度,n = 订阅的 Channel 数量。

SUBSCRIBE develop
Reading messages... (press Ctrl-C to quit)
1) "subscribe" // 消息类型
2) "develop" // 频道
3) (integer) 1 // 消息内容

执行该指令后,客户端进入订阅状态,订阅者只能使用subscribeunsubscribepsubscribepunsubscribe这四个属于"发布/订阅" 的指令。

客户端「肖菜鸡」订阅了 「develop」频道接受组长的消息,消息响应体分别表示:

  • 消息类型:subscribe、message、unsubscribe
  • 频道
  • 消息内容:随着消息类型不同代表不同含义。

进入订阅后的客户端可以收到 3 种类型的消息回复:

  1. subscribe:订阅成功的反馈消息,第二个值是订阅成功的频道名称,第三个是当前客户端订阅的频道数量。
  2. message:客户端接收到消息,第二个值表示产生消息的频道名称,第三个值是消息的内容。
  3. unsubscribe:表示成功取消订阅某个频道。第二个值是对应的频道名称,第三个值是当前客户端订阅的频道数量,当此值为 0 时客户端会退出订阅状态,之后就可以执行其他非"发布/订阅"模式的命令了。

发布者发布消息

小组长使用 PUBLISH channel message 向指定 「develop」频道发布消息。

PUBLISH develop 'do job'
(integer) 1

需要注意的是,发布的消息并不会持久化,消息发布之后还有新「开发」靓仔订阅的话,只能接收后续发布到该频道的消息。

好一个「不问过往,只争当下」。

订阅者接受消息

关注了「develop」频道的订阅者将会收到「do job」消息。

// 订阅 develop 频道
SUBSCRIBE develop
Reading messages... (press Ctrl-C to quit)
1) "subscribe" // 订阅频道成功
2) "develop" // 频道
3) (integer) 1
// 当发布者发布消息,订阅者读取到的消息如下
1) "message" // 接受到消息
2) "develop" // 频道名称
3) "do job" // 消息内容

退订频道

订阅的反向操作,「65 哥」天天在朋友圈秀恩爱,受不了了,取消订阅他的朋友圈。

使用 UNSUBSCRIBE 命令可以退订指定的「模式」不会影响通过 `subscribe 命令订阅的频道。

同样 unsubscribe命令也不会影响通过psubscribe命令订阅的规则。

通过模式(Pattern)实现

接下来看另一种方式实现发布订阅,如下图表示当「匹配模式」与这个频道匹配的话,当消息向频道发布消息,该消息还会发布到与这个频道匹配的「模式」上,订阅这个模式的客户端也会收到消息。

smile.girl.* 模式表示「你微笑时好美」pattern,与这个模式匹配的两个频道是 smile.girls.Tinasmile.girls.maggi ,分别表示喜欢「微笑的 Tina」 和喜欢「微笑的 maggi」的粉丝。

如下图:

Redis进阶篇:发布订阅模式原理与运用插图2

现在 Tina 发布动态将消息发送到 smile.girls.Tina频道的时候,除了订阅了 smile.girls.Tina 这个频道的粉丝收到消息以外,这 个消息还会发送给订阅 smile.girl.* 模式的粉丝(因为频道与模式匹配)。

这些粉丝比较贪心,所有「微笑时好美的 girls」都关注了,LSP~~,码哥可不是这样的人。

Redis进阶篇:发布订阅模式原理与运用插图3

使用匹配模式,用 PUBLISH 将消息发布到订阅 smile.girls.Tina 客户端之外,还会将该「频道」与「pub/sub pattern」中的模式进行对比,如果 Channel 与某个模式匹配的话,也将这个消息发布到订阅这个模式的客户端。

订阅模式

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

PSUBSCRIBE smile.girls.*
Reading messages... (press Ctrl-C to quit)
1) "psubscribe" // 消息类型
2) "smile.girls.*"// 模式
3) (integer) 1 //订阅数

对应的反向取消模式订阅的指令是PUNSUBSCRIBE smile.girl.*

订阅 「smile.girls.Tina」频道

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

订阅「smile.girls.maggi」频道

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

Tina 发布消息,关注「smile.girls.Tina」的粉丝和订阅了与该频道匹配的「smile.girls.*」模式的粉丝收到消息。

关注 「smile.girls.*」模式的粉丝收到消息

PSUBSCRIBE smile.girls.*
Reading messages... (press Ctrl-C to quit)
1) "psubscribe"
2) "smile.girls.*"
3) (integer) 1
//进入订阅状态,接收到消息
1) "pmessage" 消息类型
2) "smile.girls.*"
3) "smile.girls.Tina"
4) "love u" // 消息内容

关注「smile.girls.Tina」的粉丝收到消息

127.0.0.1:6379> SUBSCRIBE smile.girls.Tina
Reading messages... (press Ctrl-C to quit)
// 订阅成功
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,如果一个客户端订阅了与模式匹配的模式和频道,那么客户端会收到多次消息。

比如,65 哥 订阅了「smile.girls.Tina」频道和「smile.girls.*」模式,那么当 Tina 发布动态到频道的时候,65 哥会收到两条票消息,一条消息类型是message,一条类型是pmessage

Redisson 与 SpringBoot 实战

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

生产者代码

/**
 * 发布消息到 Topic
 * @param message 消息
 * @return 接收消息的客户端数量
 */
public long sendMessage(String message) {
    RTopic topic = redissonClient.getTopic(CHANNEL);
    long publish = topic.publish(message);
    log.info("生产者发送消息成功,msg = {}", message);
    return publish;
}

消费者代码

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,发布消息与监听消息要运行在不同的 JVM,如果使用同一个 redissonClient 发布的话,不会监听到自己的消息。

原理分析

我们通过上文知道了发布订阅的概念,一共两种模式实现发布订阅。并且运用原生指令和 Redisson 进行实战。

接下来,我们要深入理解 Redis 如何实现发布订阅机制,做到知其然知其所以然。

频道(Channel)的发布/订阅如何实现的?

65 哥,如果是你会使用什么数据结构来实现基于频道来定位对应客户端?

码哥,我觉得可以字典来实现,字典的 key 对应被订阅的频道,而字典的值可以使用一个链表,链表里面保存着订阅这个频道的所有客户端。

数据结构

聪明,Redis 使用 redis.h中有一个 redisServer 结构体维护每个服务器进程表示服务器状态,pubsub_channels 属性是一个字典,用于保存订阅频道的信息。

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

如下图所示,「码哥」、「靓仔」订阅了「redis-channel」,「宅男」「LSP」订阅了「枝~藤¥由*香-里」:

Redis进阶篇:发布订阅模式原理与运用插图4

发送消息到频道

生产者调用 PUBLISH channel messsage 发送消息,程序先根据 channel 从 pubsub_channels 定位到字典的 key 所在的桶,接着把消息发送给这个 key 对应的 value 链表的所有客户端。

退订频道

UNSUBSCRIBE命令可以退订指定的频道:丢与字典操作来说,根据 key 找到关注链表,遍历链表,删除这个客户端,这样消息就不会发送给这个客户端了。

模式(Pattern)的发布/订阅如何实现的?

接下来,我们继续看基于模式实现的发布订阅原理……

当使用 PUBLISH发布消息到某个频道的时候,不仅订阅这个频道的所有客户端会收到消息,与这个模式匹配的客户端也会收到消息。

源码在 server.h 文件中的redisServer.pubsub_patterns 属性定义。

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

也是 dict 字典类型, key 对应「pattern」模式,value 是一个 链表类型的结构: list *clients里面包含匹配个模式的客户端列表。

当执行 PSUBSCRIBE smile.girls.*命令的时候,会执行pubsubSubscribePattern方法。

在这里我分享下如何定位关键源码,发布订阅我们根据经验搜索pubsub便能检索到 pubsub.c

Redis进阶篇:发布订阅模式原理与运用插图5

码哥使用 CLion 调试的 Redis 源码,跟我们 Java 开发用的 IDEA 出自于一家,所以快捷键都是一样的,接着使用 Command + F12 弹出方法搜索,找到 pubsubSubscribePattern 订阅模式的方法。

方法参数别分表示关注该模式的客户端 client *c,和客户端想要关注的 *pattern,方法主要逻辑如下:

  1. listSearchKey(c->pubsub_patterns,pattern):根据 pattern 从 redisServer.pubsub_patterns 字典查找是否已经存在该模式的 key,存在则调用addReplyPubsubPatSubscribed 通知客户端已经订阅过了,否则继续执行以下逻辑。
  2. dictFind(server.pubsub_patterns,pattern):根据模式 pattern从字典 server.pubsub_patterns找到 dictEntry 哈希桶,为空就调用 listCreate()创建客户端链表 list *clients,并放到字典中,key = pattern,value = list *clients 链表。
  3. 哈希桶不为空,那么把当前客户端 client *c 添加到 list *clients链表尾节点。

Redis进阶篇:发布订阅模式原理与运用插图6

所以模式实现的发布订阅也是通过字典来保存模式与客户端的关系,如下图所示:

Redis进阶篇:发布订阅模式原理与运用插图7

当使用 PUBLISH 发布消息的时候,除了发布到订阅channel的客户端以外,还会将该 channel 与 pubsub_patterns 字典中查找匹配模式 key 对应的 value 中的客户端链表,并执行消息发送。

退订模式

使用 PUNSUBSCRIBE命令可以退订指定的模式, 这个命令执行的是订阅模式的反操作:根据模式从 pubsub_patterns字典中找到客户端链表,遍历链表将当前客户端删除。

总结

Redis 发布订阅功能,主要通过如下命令实现:

  • subscribe channel [channel ...]:订阅一个或者多个频道;
  • unsubscribe channel 退订指定频道;
  • publish channel message 向指定频道发送消息;
  • psubscribe pattern 订阅指定模式;
  • punsubscribe pattern 退订指定模式。

Pub/Sub 与数据库无关,比如在 DB0 上发布, DB1的订阅者也将接收到。

基于频道实现的发布订阅信息是由服务器进程的 redisServer.pubsub_channels 字典保存,key = 被订阅的频道,value 是订阅频道的所有客户端链表。

当消息发布到频道的时候,遍历字典获取所有客户端并把消息发送到频道的客户端。

基于模式实现的发布订阅的信息保存在字典 pubsub_patterns中,key = pattern,value 是客户端链表。

当消息发布到频道的时候,除了订阅该频道的客户端收到消息以外,所有订阅了与频道匹配的模式的客户端也会收到消息。

使用场景

说了这么多,Redis 发布订阅能在什么场景发挥作用呢?

哨兵间通信

哨兵集群中,每个哨兵节点利用 Pub/Sub 发布订阅实现哨兵之间的相互发现彼此和找到 Slave,详情点击 ->《哨兵集群原理那些事》

哨兵与 Master 建立通信后,利用 master 提供发布/订阅机制在__sentinel__:hello发布自己的信息,比如身高体重、是否单身、IP、端口……,同时订阅这个频道来获取其他哨兵的信息,就这样实现哨兵间通信。

消息队列

之前「码哥」跟大家分享过如何利用 Redis ListStream 实现消息队列

我们也可以利用 Redis 发布订阅实现轻量级简单的 MQ 功能,实现上下游解耦,需要注意点是 Redis 发布订阅的消息不会被持久化,所以新订阅的客户端将收不到历史消息。

也不支持 ACK 机制,所以当前业务不能容忍这些缺点,那就使用专业的消息队列,如果能容忍那就能享受 Redis 快带来的优势。

最后,可以在评论区叫我一声「靓仔」么?为了写这个文章,码哥看了好多微笑时好美的 girl 才写出来,原创不易。

朋友们点赞、分享、收藏支持我吧。

参考资料

1.Redis 设计与实现

2.https://redisbook.readthedocs.io/en/latest/feature/pubsub.html

文章来源于互联网:Redis进阶篇:发布订阅模式原理与运用

THE END
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