Redis（十）：pub/sub 发布订阅源码解析
等你归去来 人气:1谈到发布订阅模式，相信不会陌生，典型的观察者模式的实现。然而从表面来看，本地实现一个wait/notify通知、register/update调用, 实现一个远程mq服务, 还有本文说的 pub/sub, 其实道理都差不多。只是，同样的需求，针对不同的环境，实现上往往是有天壤之别的。
所以，我们就来看看 redis 的 pub/sub 是如何实现的吧！
零、redis发布订阅相关概念介绍
Redis 发布订阅(pub/sub)是一种消息通信模式：发送者(pub)发送消息，订阅者(sub)接收消息。Redis 客户端可以订阅任意数量的频道。
下图展示了频道 channel1，以及订阅这个频道的三个客户端 —— client2 、 client5 和 client1 之间的关系：
当有新消息通过 PUBLISH 命令发送给频道 channel1 时， 这个消息就会被发送给订阅它的三个客户端：
Redis的pub/sub实现中，发布消息的方式只有一种，但是订阅消息却有很多种方式。
使用场景如: 可以用做简单消息通信中间件，监听某些事件的变化;
从官方手册上查到相关使用方法。
1> PUBLISH channel message
功能: 将信息发送到指定的频道。
返回值: 接收到该消息的个数;2> SUBSCRIBE channel [channel ...]
功能: 订阅给定的一个或多个频道的信息。
返回值: 等待消息状态，客户端不能再处理其他命令了。 除了 SUBSCRIBE, PSUBSCRIBE, UNSUBSCRIBE, PUNSUBSCRIBE, PING and QUIT commands.3> PSUBSCRIBE pattern [pattern ...]
功能: 订阅一个或多个符合给定模式的频道。
返回值: 等待消息状态，客户端不能再处理其他命令了。 除了 SUBSCRIBE, PSUBSCRIBE, UNSUBSCRIBE, PUNSUBSCRIBE, PING and QUIT commands.4> PUBSUB subcommand [argument [argument ...]]
功能: 查看订阅与发布系统状态。subcomand 有 CHANNELS,NUMSUB,NUMPAT .
返回值:
PUBSUB CHANNELS [pattern] 列举出所有至少有一个订阅者的符合表达式的channel(精确订阅的客户端，即使用 SUBSCRIBE 进行订阅的客户端);
PUBSUB NUMSUB [channel-1 ... channel-N] 每个要查询的channel的订阅数kv(精确订阅的客户端，即使用 SUBSCRIBE 进行订阅的客户端);
PUBSUB NUMPAT 返回使用了 PSUBSCRIBE 订阅的客户端总数;
5> UNSUBSCRIBE [channel [channel ...]]
功能: 指退订给定的频道。
返回值: 退订频道的影响订阅数，自身未订阅时，影响数为0;6> PUNSUBSCRIBE [pattern [pattern ...]]
功能: 退订所有给定模式的频道。
返回值: 退订频道的影响订阅数，自身未订阅时，影响数为0;
以上命令的操作，当使用 redis-cli 时，将受限。使用 SUBSCRIBE/PSUBSCRIBE 订阅channel后，只能强行退出，不能再接受其他命令。即只有配合各语言实现的sdk，才能连贯完成上面完整的操作。
一、pub/sub 相关数据结构
pub/sub 相关接口定义如下：
{"subscribe",subscribeCommand,-2,"rpslt",0,NULL,0,0,0,0,0},
{"unsubscribe",unsubscribeCommand,-1,"rpslt",0,NULL,0,0,0,0,0},
{"psubscribe",psubscribeCommand,-2,"rpslt",0,NULL,0,0,0,0,0},
{"punsubscribe",punsubscribeCommand,-1,"rpslt",0,NULL,0,0,0,0,0},
{"publish",publishCommand,3,"pltrF",0,NULL,0,0,0,0,0},
{"pubsub",pubsubCommand,-2,"pltrR",0,NULL,0,0,0,0,0},
整个pub/sub使用的数据结构，都是之前介绍过的。主要有 dict, list 两种，针对模式匹配订阅稍微多了个属性:
// 使用 PSUBSCRIBE 订阅方式，做一层数据格式封装
typedef struct pubsubPattern {
client *client;
robj *pattern;
} pubsubPattern;
二、subscribe/psubscribe 订阅channel实现
只有先有订阅者之后，发布者发送的消息才会有意义。所以我们先看看订阅的实现：
// 用法: SUBSCRIBE channel [channel ...]
// pubsub.c
void subscribeCommand(client *c) {
int j;
// n 个channel 的订阅，循环调用即可
for (j = 1; j < c->argc; j++)
pubsubSubscribeChannel(c,c->argv[j]);
// 添加pubsub订阅标识，方便其他地方判断
c->flags |= CLIENT_PUBSUB;
}
// 具体的单个 channel 订阅实现
/* Subscribe a client to a channel. Returns 1 if the operation succeeded, or
* 0 if the client was already subscribed to that channel. */
int pubsubSubscribeChannel(client *c, robj *channel) {
dictEntry *de;
list *clients = NULL;
int retval = 0;
/* Add the channel to the client -> channels hash table */
// step1. 将要订阅的 channel 添加到各自客户端的 pubsub_channels 容器中
if (dictAdd(c->pubsub_channels,channel,NULL) == DICT_OK) {
retval = 1;
incrRefCount(channel);
/* Add the client to the channel -> list of clients hash table */
// step2. 将要订阅的channel 添加到 server.pubsub_channels 中, 方便在publish时判定是否触发通知
de = dictFind(server.pubsub_channels,channel);
if (de == NULL) {
clients = listCreate();
dictAdd(server.pubsub_channels,channel,clients);
incrRefCount(channel);
} else {
clients = dictGetVal(de);
}
// step3. 将客户端自身添加到相应的 server.pubsub_channels 对应的队列中去, 在通知时只需遍历该队列即可
listAddNodeTail(clients,c);
}
/* Notify the client */
// 响应客户端:
// *3 \r\n
// $9\r\nsubscribe\r\n
// channel
// 111(该客户端总共订阅的channel数)
addReply(c,shared.mbulkhdr[3]);
addReply(c,shared.subscribebulk);
addReplyBulk(c,channel);
addReplyLongLong(c,clientSubscriptionsCount(c));
return retval;
}
// 客户端订阅的总channel数, 两种订阅方式相加
/* Return the number of channels + patterns a client is subscribed to. */
int clientSubscriptionsCount(client *c) {
return dictSize(c->pubsub_channels)+
listLength(c->pubsub_patterns);
}
如上就是单个channel的订阅方式了，总结如下：
1. 客户端自行管理需要订阅的channel, 放到 c->pubsub_channels 中;
2. redis使用的一个统一的 server->pubsub_channels dict容器进行管理所有的channel;
3. 对于多个客户端订阅一个channel, redis 使用list进行管理追加;
整个订阅过程，其实就是一个注册的过程，自然复杂不到哪里去。接下来，我们同步来看一下 使用模式订阅的方式的注册如何？
// 用法: PSUBSCRIBE pattern [pattern ...]
// pubsub.c
void psubscribeCommand(client *c) {
int j;
// 同样是n个channel依次注册
for (j = 1; j < c->argc; j++)
pubsubSubscribePattern(c,c->argv[j]);
c->flags |= CLIENT_PUBSUB;
}
// 注册单个模式匹配的 channel 订阅
/* Subscribe a client to a pattern. Returns 1 if the operation succeeded, or 0 if the client was already subscribed to that pattern. */
int pubsubSubscribePattern(client *c, robj *pattern) {
int retval = 0;
// 直接查找对应的 pattern, 没有则添加
if (listSearchKey(c->pubsub_patterns,pattern) == NULL) {
retval = 1;
pubsubPattern *pat;
listAddNodeTail(c->pubsub_patterns,pattern);
incrRefCount(pattern);
pat = zmalloc(sizeof(*pat));
pat->pattern = getDecodedObject(pattern);
pat->client = c;
listAddNodeTail(server.pubsub_patterns,pat);
}
/* Notify the client */
addReply(c,shared.mbulkhdr[3]);
addReply(c,shared.psubscribebulk);
addReplyBulk(c,pattern);
addReplyLongLong(c,clientSubscriptionsCount(c));
return retval;
}
PSUBSCRIBE 的管理方式与 SUBSCRIBE 的管理方式不一样，它是直接使用list保存订阅的模式到 server.pubsub_patterns 中，针对不一样的模式，使用一个新的pubsubPattern来保存。
注意：所有客户端的订阅管理，server.pubsub_patterns 使用平坦式管理，即相同的模式订阅，有多少个客户端，就会有多个元素被添加到 pubsub_patterns 中。（为什么不使用子链表的方式进行管理呢？？？）
三、publish 发布消息的实现
publish 是触发subscribe的方式，没有publish动作，subscribe就会一直在等待中。想来应该不难，消息发布之后，只要将注册上来的客户一个进行消息推送，就实现了相应功能。所以，pub/sub 操作，必然是基于长连接的实现方式，没毛病。
redis 的发布命令如下：
// 用法: PUBLISH channel message
// pubsub.c
void publishCommand(client *c) {
// 使用 channel+message 进行发布消息
int receivers = pubsubPublishMessage(c->argv[1],c->argv[2]);
// 命令传播
if (server.cluster_enabled)
clusterPropagatePublish(c->argv[1],c->argv[2]);
else
forceCommandPropagation(c,PROPAGATE_REPL);
addReplyLongLong(c,receivers);
}
// 发布一条消息
/* Publish a message */
int pubsubPublishMessage(robj *channel, robj *message) {
int receivers = 0;
dictEntry *de;
listNode *ln;
listIter li;
/* Send to clients listening for that channel */
// 使用 SUBSCRIBE 订阅的客户端，直接遍历相应的 channel集合即可
de = dictFind(server.pubsub_channels,channel);
if (de) {
list *list = dictGetVal(de);
listNode *ln;
listIter li;
// 依次进行数据响应，将消息传播到订阅端
listRewind(list,&li);
while ((ln = listNext(&li)) != NULL) {
client *c = ln->value;
addReply(c,shared.mbulkhdr[3]);
addReply(c,shared.messagebulk);
addReplyBulk(c,channel);
addReplyBulk(c,message);
receivers++;
}
}
/* Send to clients listening to matching channels */
// 处理使用 PSUBSCRIBE 订阅消息的客户端
// 前面说过, PSUBSCRIBE 在redis使用平坦式管理，所以需要做的模式匹配将会更多
// 也就是说 PSUBSCRIBE 的响应性能也会更差
if (listLength(server.pubsub_patterns)) {
listRewind(server.pubsub_patterns,&li);
channel = getDecodedObject(channel);
while ((ln = listNext(&li)) != NULL) {
pubsubPattern *pat = ln->value;
if (stringmatchlen((char*)pat->pattern->ptr,
sdslen(pat->pattern->ptr),
(char*)channel->ptr,
sdslen(channel->ptr),0)) {
addReply(pat->client,shared.mbulkhdr[4]);
addReply(pat->client,shared.pmessagebulk);
addReplyBulk(pat->client,pat->pattern);
addReplyBulk(pat->client,channel);
addReplyBulk(pat->client,message);
receivers++;
}
}
decrRefCount(channel);
}
return receivers;
}
可以看到，redis消息的发布可能比想象中的还要简单。不过有一点需要注意的是，整个publish的消息并没有在redis进行存储操作，也就是说发布完一个消息之后，就再也找不到踪迹了。这也是很多消息中间件的实现方式，因为数据的保留可能会显得没有意义。
整个发布消息的过程，其实就是向各个subscriber进行数据推送的过程，而这些scriber则是基于长连接客户端实例，以至于其看起来和本地实现的register/update 的观察者模块没啥两样。
所以，基本上 redis 的发布订阅功能实现得，还是实现的粒度还是比较粗的。系统上的应用如哨兵模式下的master/slave的切换。而如果自己应用的话，就需要找准自己的应用场景，不要乱用了。
四、unsubscribe 解除订阅关系
当关注的事件处理完成后，可能就不需要再订阅相关消息了，就需要进行解决订阅。解决订阅关系，即不再接受相应的发布消息，将自身从注册表中删除即可。基本上就是和订阅进行一个反解操作！
// 用法: UNSUBSCRIBE [channel [channel ...]]
// pubsub.c
void unsubscribeCommand(client *c) {
// unsubscribe, 直接解决所有的订阅
if (c->argc == 1) {
pubsubUnsubscribeAllChannels(c,1);
} else {
int j;
// 根据指定的 channel 依次解除订阅关系
for (j = 1; j < c->argc; j++)
pubsubUnsubscribeChannel(c,c->argv[j],1);
}
// 当一个订阅也没有，则自身不再处理 pubsub 相关的事务
if (clientSubscriptionsCount(c) == 0) c->flags &= ~CLIENT_PUBSUB;
}
/* Unsubscribe a client from a channel. Returns 1 if the operation succeeded, or
* 0 if the client was not subscribed to the specified channel. */
int pubsubUnsubscribeChannel(client *c, robj *channel, int notify) {
dictEntry *de;
list *clients;
listNode *ln;
int retval = 0;
/* Remove the channel from the client -> channels hash table */
incrRefCount(channel); /* channel may be just a pointer to the same object
we have in the hash tables. Protect it... */
// 先删除自身的订阅标识，再删除 server.pubsub_channels 标识
if (dictDelete(c->pubsub_channels,channel) == DICT_OK) {
retval = 1;
/* Remove the client from the channel -> clients list hash table */
de = dictFind(server.pubsub_channels,channel);
serverAssertWithInfo(c,NULL,de != NULL);
clients = dictGetVal(de);
ln = listSearchKey(clients,c);
serverAssertWithInfo(c,NULL,ln != NULL);
listDelNode(clients,ln);
if (listLength(clients) == 0) {
/* Free the list and associated hash entry at all if this was
* the latest client, so that it will be possible to abuse
* Redis PUBSUB creating millions of channels. */
dictDelete(server.pubsub_channels,channel);
}
}
/* Notify the client */
// 调用 unsubscribe 进行解决订阅的，此处都需要进行客户端响应通知
if (notify) {
addReply(c,shared.mbulkhdr[3]);
addReply(c,shared.unsubscribebulk);
addReplyBulk(c,channel);
addReplyLongLong(c,dictSize(c->pubsub_channels)+
listLength(c->pubsub_patterns));
}
decrRefCount(channel); /* it is finally safe to release it */
return retval;
}
// 解决所有的当前客户端的订阅关系 (SUBSCRIBE 建立的订阅)
/* Unsubscribe from all the channels. Return the number of channels the
* client was subscribed to. */
int pubsubUnsubscribeAllChannels(client *c, int notify) {
dictIterator *di = dictGetSafeIterator(c->pubsub_channels);
dictEntry *de;
int count = 0;
// 迭代 c->pubsub_channels 的订阅，依次删除即可
while((de = dictNext(di)) != NULL) {
robj *channel = dictGetKey(de);
count += pubsubUnsubscribeChannel(c,channel,notify);
}
/* We were subscribed to nothing? Still reply to the client. */
if (notify && count == 0) {
addReply(c,shared.mbulkhdr[3]);
addReply(c,shared.unsubscribebulk);
addReply(c,shared.nullbulk);
addReplyLongLong(c,dictSize(c->pubsub_channels)+
listLength(c->pubsub_patterns));
}
dictReleaseIterator(di);
return count;
}
不出所料，就是一个从 pubsub_channels 中的删除一个元素的问题，别无其他。其中需要注意的是，SUBSCRIBE 对应 UNSUBSCRIBE, PSUBSCRIBE 对应 PUNSUBSCRIBE。
四、关于redis pub/sub 之后的思考
需要注意的是，消息中间件是远程通信组件，必然存在各种不确定性，所以确保长连接的有效性是非常重要，比如通过PING-PONG方式进行续租，以保持连接的有效性。
可以说，我们要实现一个简单的pub/sub 功能是简单的，但是要应对各种异常情况则是困难的。
1. 比如当订阅的量越来越大时，整个发布消息过程可能变量缓慢起来，如何处理？
2. 如果消费者端处理失败，如何处理？
3. 订阅者为什么只能做很少的事情，能不能多做一点？
4. 出现问题时如何进行溯源？
5. 如何处理单机瓶颈问题？
6. 如果是多机负载，如何处理数据一致性问题？
7. 消费者事务处理能力问题？
redis是专业的缓存解决方案，但不是专业的消息通信解决方案，它的实现只能为打开我们的一点思路。我们还是要相信专业的力量，以上问题相信在很多消息中间件中很容易找到相应答案。
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