Redis发布订阅模式实现原理

前言

        发布订阅系统在我们日常的工作中经常会使用到，这种场景大部分情况我们都是使用消息队列，常用的消息队列有 Kafka，RocketMQ，RabbitMQ，每一种消息队列都有其特性，很多时候我们可能不需要独立部署相应的消息队列，只是简单的使用，而且数据量也不会太大，这种情况下，我们就可以使用 Redis 的 Pub/Sub 模型。

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一、Redis发布订阅

        Redis 的发布订阅功能主要由 PUBLISH，SUBSCRIBE，PSUBSCRIBE 命令组成，一个或者多个客户端订阅某个或者多个频道，当其他客户端向该频道发送消息的时候，订阅了该频道的客户端都会收到对应的消息。 

二、发布订阅模式的基本命令

Psubscribe 命令订阅一个或多个符合给定模式的频道。每个模式以 * 作为匹配符，比如 it* 匹配所有以 it 开头的频道( it.news 、 it.blog 、 it.tweets )

        Psubscribe 命令基本语法如下：

PSUBSCRIBE pattern [pattern ...]

Redis Pubsub 命令用于查看订阅与发布系统状态，它由数个不同格式的子命令组成。

 PUBSUB <subcommand> [argument [argument ...]]

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 Publish 命令用于将信息发送到指定的频道。

 Publish 命令基本语法如下：

PUBLISH channel message

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Punsubscribe 命令用于退订所有给定模式的频道。

Punsubscribe 命令基本语法如下：

PUNSUBSCRIBE [pattern [pattern ...]]

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Subscribe 命令用于订阅给定的一个或多个频道的信息。

Subscribe 命令基本语法如下：

SUBSCRIBE channel [channel ...]

Unsubscribe 命令用于退订给定的一个或多个频道的信息。

Unsubscribe 命令基本语法如下：

 UNSUBSCRIBE channel [channel ...]

三、发布订阅模式的实现原理

Redis通过PUBLISH、SUBSCRIBE和PSUBSCRIBE等命令实现了发布和订阅功能。

• 通过SUBSCRIBE命令订阅某个频道后，redis-server里面维护了一个字典，字典的键就是一个个channel，而字典的值则是一个链表，链表中保存了所有订阅这个channel的客户端。SUBSCRIBE命令的关键，就是将客户端添加到指定channel的订阅链表中。
• 通过PUBLISH命令向订阅者发送信息，redis-server会使用给定的频道作为键，在他所维护的channel字典中查找记录订阅该频道的所有客户端的链表，通过遍历这个链表，来将信息发布给所有的订阅者

Pub/Sub 底层存储结构

  订阅 Channel

在 Redis 的底层结构中，客户端和频道的订阅关系是通过一个字典加链表的结构保存的，形式如下：

在 Redis 的底层结构中，Redis 服务器结构体中定义了一个 pubsub_channels 字典

struct redisServer {

//用于保存所有频道的订阅关系

dict *pubsub_channels

}

在这个字典中，key 代表的是频道名称，value 是一个链表，这个链表里面存放的是所有订阅这个频道的客户端。

所以当有客户端执行订阅频道的动作的时候，服务器就会将客户端与被订阅的频道在 pubsub_channels 字典中进行关联。

这个时候有两种情况：

• 该渠道是首次被订阅：首次被订阅说明在字典中并不存在该渠道的信息，那么程序首先要创建一个对应的 key，并且要赋值一个空链表，然后将对应的客户端加入到链表中。此时链表只有一个元素。

• 该渠道已经被其他客户端订阅过：这个时候就直接将对应的客户端信息添加到链表的末尾就好了。

比如，如果有一个新的客户端 Client 08 要订阅 run 渠道，那么上图就会变成

如果 Client 08 要订阅一个新的渠道 new_sport ，那么就会变成

取消订阅

上面介绍的是单个 Channel 的订阅，相反的如果一个客户端要取消订阅相关 Channel，则无非是找到对应的 Channel 的链表，从中删除对应的客户端，如果该客户端已经是最后一个了，则将对应 Channel 也删除。

模式订阅结构

模式渠道的订阅与单个渠道的订阅类似，不过服务器是将所有模式的订阅关系都保存在服务器状态的pubsub_patterns 属性里面。

struct redisServer{

//保存所有模式订阅关系

list *pubsub_patterns;

}

与订阅单个 Channel 不同的是，pubsub_patterns 属性是一个链表，不是字典。节点的结构如下：

struct pubsubPattern{

//订阅模式的客户端

redisClient *client;

//被订阅的模式

robj *pattern;

} pubsubPattern;

其实 client 属性是用来存放对应客户端信息，pattern 是用来存放客户端对应的匹配模式。

所以对应上面的 Client-06 模式匹配的结构存储如下

在pubsub_patterns链表中有一个节点，对应的客户端是 Client-06，对应的匹配模式是run*。

订阅模式

当某个客户端通过命令psubscribe 订阅对应模式的 Channel 时候，服务器会创建一个节点，并将 Client 属性设置为对应的客户端，pattern 属性设置成对应的模式规则，然后添加到链表尾部。

1. 创建新节点；

2. 给节点的属性赋值；

3. 将节点添加到链表的尾部；

退订模式

退订模式的命令是punsubscribe，客户端使用这个命令来退订一个或者多个模式 Channel。服务器接收到该命令后，会遍历pubsub_patterns链表，将匹配到的 client 和 pattern 属性的节点给删掉。这里需要判断 client 属性和 pattern 属性都合法的时候再进行删除。

遍历所有的节点，当匹配到相同 client 属性和 pattern 属性的时候就进行节点删除。

发布消息

当一个客户端执行了publish channelName message 命令的时候，服务器会从pubsub_channels和pubsub_patterns 两个结构中找到符合channelName 的所有 Channel，进行消息的发送。在 pubsub_channels 中只要找到对应的 Channel 的 key 然后向对应的 value 链表中的客户端发送消息。