Redis 发布订阅模式的深度解析与实现消息队列

1 发布订阅模式(Pub/Sub)的概述

我们可以利用Redis的List数据结构实现一

个简单的消息队列，通过lpush命令写入消息，通过rpop 命令拉取消息，也可以使用BRPOP实现阻塞式的拉取消息。

上面的消息队列有一个缺点，那就是不支持消息多播机制，消息多播机制就是生产者生产的一个消息可以被多个消费者消费到，这个功能在分布式系统中非常重要。

Redis单独使用Pub/Sub模块来支持消息多播，即发布/订阅模式(publish/subscribe)，它是一种消息通信模式：发布者(pub)发送消息，订阅者(sub)接收消息。

发布者会将的消息发布到一个chanel（通道）中而不是发送给指定的订阅者，发布者也不知道可能有哪些订阅者。

订阅者可以订阅一个或多个channel，只接收来自订阅的channel的消息，并且不知道有哪些（如果有）发布者，这种模式实现了消息发布者和订阅者的解耦。

Pub/Sub 与键空间无关，消息不会被持久化，与数据库也无关，在db10上发布，将可以被 db1 上的订阅者听到。如果我们需要某种范围的范围，那么只能在设置的channel名字上做区分。

2 订阅

客户端使用SUBSCRIBE channel [channel ...]命令订阅通道，可以多次执行该命令，也可以一次订阅多个通道，多个客户端可以订阅相同的通道。

该命令返回一个数组，包括三部分，依次是:命令名称(字符串“subscribe”)，订阅的通道名称，目前总共订阅的通道数（包含glob通道）。这三个部分对每一个订阅的通道是连续的。

客户端执行订阅以后，除了可以继续订阅(SUBSCRIBE或者PSUBSCRIBE),取消订阅(UNSUBSCRIBE或者PUNSUBSCRIBE), PING命令和结束连接(QUIT)外, 不能执行其他操作,客户端将阻塞直到订阅通道上发布消息的到来。

如下，表示客户端一次性订阅四个通道：aaa、bba、ccc、ddd：

127.0.0.1:6379> SUBSCRIBE aaa bba ccc ddd
Reading messages... (press Ctrl-C to quit)
1) "subscribe"
2) "aaa"
3) (integer) 1
1) "subscribe"
2) "bba"
3) (integer) 2
1) "subscribe"
2) "ccc"
3) (integer) 3
1) "subscribe"
2) "ddd"
3) (integer) 4

请注意，如果使用redis-cli 一旦进入订阅模式就不会接受任何命令，只能使用 Ctrl-C 退出该模式。

3 取消订阅

客户端使用UNSUBSCRIBE [channel [channel ...]]命令取消订阅指定的通道，可以指定一个或者多个取消的订阅通道名称，也可以不带任何参数，此时将取消所有的订阅的通道(不包括glob通道)。

该命令返回一个数组，包括三部分，依次是:命令名称(字符串“unsubscribe”)，订阅的通道名称，目前总共订阅的通道数（包含glob通道）。这三个部分对每一个取消订阅的通道是连续的。当最后一个参数为零时，我们不再订阅任何频道，客户端可以发出任何类型的 Redis 命令，因为我们处于 Pub/Sub 状态之外。

如下，表示客户端退出ccccc通道的订阅：

127.0.0.1:6379> UNSUBSCRIBE ccccc
1) "unsubscribe"
2) "cccc"
3) (integer) 0

4 模式匹配

Redis Pub/Sub 实现支持模式匹配。客户端可以订阅 glob 通道，这样就能接收发送到通道名称与给定模式匹配的通道的所有消息。

客户端使用PSUBSCRIBE pattern [pattern ...] 订阅一个或多个glob 通道。

该命令返回一个数组，包括三部分，依次是:命令名称(字符串“psubscribe”)，订阅的glob通道名称，目前总共订阅的通道数(包含非glob通道)。这三个部分对每一个订阅的通道是连续的。

例如，订阅a*和*c模式：

127.0.0.1:6379> PSUBSCRIBE a* *c
Reading messages... (press Ctrl-C to quit)
1) "psubscribe"
2) "a*"
3) (integer) 1
1) "psubscribe"
2) "*c"
3) (integer) 2

客户端使用 PUNSUBSCRIBE [pattern [pattern ...]]退订一个或多个glob 通道。也可以不带任何参数，此时将取消所有的订阅的通道(不包括非glob通道)。

该命令返回一个数组，包括三部分，依次是:命令名称(字符串“punsubscribe”)，取消订阅的glob通道名称，目前总共订阅的通道数（包含非glob通道）。这三个部分对每一个取消订阅的通道是连续的。当最后一个参数为零时，我们不再订阅任何频道，客户端可以发出任何类型的 Redis 命令，因为我们处于 Pub/Sub 状态之外。

如下，取消对a*的glob通道的订阅：

127.0.0.1:6379> PUNSUBSCRIBE a*
1) "punsubscribe"
2) "a*"
3) (integer) 0

subscribe, unsubscribe, psubscribe 和punsubscribe命令的最后都返回当前客户端订阅的glob通道和通道的总数，如果为0，则客户端自动退出Pub/Sub模式。

5 发布

PUBLISH channel message命令在指定的通道上发布消息。只能在一个通道上发布消息，不能在多个通道上同时发布消息。

将返回通知的接收者数量。这里的接收者数目大于等于订阅该通道的客户端数目，因为一个客户端的glob通道和非glob通道同时匹配发布通道的话，则视为两个接收者。换句话说，如果客户端订阅了多个与已发布消息匹配的模式，或者订阅了与该消息匹配的模式和通道，则该客户端可能会多次收到同一条消息。

在接收端，收到的响应包括三部分，依次是：“message”字符串，匹配的通道名称，发布的消息内容。如果是因为glob模式匹配而接收，那么返回四部分：“pmessage”字符串，匹配的glob通道名称，发送的原始通道名称，发布的消息内容。

如果某个客户端的订阅a*和*c两个模式通道：

127.0.0.1:6379> PSUBSCRIBE a* *c
Reading messages... (press Ctrl-C to quit)
1) "psubscribe"
2) "a*"
3) (integer) 1
1) "psubscribe"
2) "*c"
3) (integer) 2

如果发送消息的通道为ac，那么将会返回2：

127.0.0.1:6379> PUBLISH ac xxxxx
(integer) 2

在客户端，将收到两次消息：

1) "pmessage"
2) "a*"
3) "ac"
4) "xxxxx"
1) "pmessage"
2) "*c"
3) "ac"
4) "xxxxx"

6 Pub/Sub原理

每个Redis服务器进程维持着一个标识服务器状态的redis.h/redisServer结构，其中就保存着有订阅的频道 以及 订阅模式 的信息：

struct redisServer {
    // ...
    dict *pubsub_channels;  // 订阅频道
    list *pubsub_patterns;  // 订阅模式
    // ...
};

6.1 pubsub_channels

pubsub_channels是一个dict字典结构，key（数组元素）为channel，value就是某个client。当客户端订阅某一个频道之后，Redis 就会往 pubsub_channels 这个字典中新添加一条channel和client数据，不同的client可以订阅相同的channel，client以链表的方式串联起来，这样就能保存多个client对同一个channel的关系，非常的巧妙。

了解了这个结构，SUBSCRIBE 、PUBLISH 、UNSUBSCRIBE命令的实现也变得十分简单了。

SUBSCRIBE就是将channel和client加入到dict中，如果此前没有该channel，那就新增一个channel元素，然后在再增一个client链表节点，如果此前存在，则直接在链表末尾添加一个client节点。

PUBLISH只需要通过上述字典定位到具体的channel，就能找到所有订阅该channel的客户端，再把消息发送给它们就好了。

UNSUBSCRIBE也很简单，将对应channel下面的链表中的client删除即可。

6.2 pubsub_patterns

pubsub_patterns用于存储所有的glob channel，它是一个list结构，节点类型为redis.h/pubsubPattern：

typedef struct pubsubPattern {
    redisClient *client;  // 订阅模式的客户端
    robj *pattern;        // 订阅的模式
} pubsubPattern;

当使用PSUBSCRIBE命令订阅一个模式时，程序就创建一个pubsubPattern添加到 pubsub_patterns 链表中。如果另一个客户端也订阅一个模式，则向链表的后面新增一个pubsubPattern节点即可。

因此，实际上PUBLISH除了会在pubsub_channels中定位具体的channel之外，还会将指定的channel与pubsub_patterns 中的模式进行对比，如果 指定的channel 和某个模式匹配的话，那么也将 message 发送到订阅那个模式的全部客户端。

PUNSUBSCRIBE的实现也很简单，就是删除pubsub_patterns中，client和pattern信息对比一致的节点。

7 Pub/Sub缺点

发布的消息在Redis系统中不能持久化，因此，必须先执行订阅，再等待消息发布。如果先发布了消息，那么该消息由于没有订阅者，消息将被直接丢弃。

消息只管发送，不管接收，也没有ACK机制，无法保证消息的消费成功。如果某个消费者中途加入进来，或者挂掉重启，那么这之前丢失的消息也不能再次消费。

以上的缺点导致Redis的Pub/Sub模式就像个小玩具，在生产环境中几乎无用武之地，非常的尴尬！为此，Redis5.0版本新增了Stream数据结构，不但支持多播，还支持数据持久化，相比Pub/Sub更加的强大！

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