深入Redis消息队列：Pub/Sub和Stream的对决【redis第六部分】

：你只管努力，剩下的交给时间

：小破站

前言

在软件开发中，消息队列是一项不可或缺的技术，用于实现异步通信、事件处理和系统解耦。Redis作为一款多才多艺的数据存储引擎，不仅可以用来存储数据，还可以用来构建强大的消息队列系统。本文将带您深入探讨Redis中的消息队列解决方案，从最基本的发布/订阅到最新的流，一切都在这里。

第一：发布订阅(Pub/Sub)

Redis的发布/订阅（Pub/Sub）机制是一种消息传递模式，用于实现消息的发布和订阅。以下是关于Redis发布/订阅的详细信息：

1. Redis的发布/订阅机制：

   • Redis的发布/订阅是一种消息传递模式，其中有一个消息发布者将消息发布到一个频道，而一个或多个消息订阅者可以订阅该频道以接收消息。
   • 发布者和订阅者之间是解耦合的，发布者不需要知道订阅者的身份，只需将消息发布到指定的频道即可。
   • 订阅者可以订阅多个频道，并在每个频道上接收消息。

2. 如何创建发布者和订阅者：

   • 创建发布者：

     • 使用Redis客户端，可以通过PUBLISH命令将消息发布到指定的频道。
     • 示例：PUBLISH channel_name message

   • 创建订阅者：

     • 使用Redis客户端，可以通过SUBSCRIBE命令订阅一个或多个频道。
     • 示例：SUBSCRIBE channel_name

     或者

     • 在程序中使用Redis客户端库，订阅频道并设置消息处理函数，以便处理接收到的消息。

3. Pub/Sub的使用场景和限制：

   • 使用场景：

     • 实时通知和事件处理：Pub/Sub允许实现实时通知和事件处理系统，其中消息发布者可以通知订阅者关于特定事件的信息。
     • 聊天应用程序：Pub/Sub可用于实现实时聊天应用程序，允许多个用户在不同频道上聊天。
     • 数据同步：Pub/Sub可用于数据同步，其中数据变化时，发布者可以通知所有订阅者进行相应的更新。

   • 限制和注意事项：

     • 消息持久性：Redis的发布/订阅消息是瞬时的，不会保存到磁盘。如果需要消息持久性，可以考虑使用消息队列（如Redis的List）。
     • 同步性：发布/订阅模式是异步的，发布者和订阅者之间不会立即响应，因此不适合需要强一致性的应用。
     • 订阅频道的动态性：订阅者通常需要预先知道要订阅的频道名称，不太适合频道名称的动态变化。
     • 可扩展性：Redis的发布/订阅适用于中小规模的消息通信，但在大规模分布式系统中，可能需要考虑使用更强大的消息中间件。

Redis的发布/订阅机制是一种轻量级的消息传递方式，适用于许多实时通知和事件处理的场景，但也有一些限制，需要根据应用需求慎重考虑。

第二：流（Stream）

Redis的流数据结构是一种用于处理有序事件流的高级数据结构。它提供了一种在实时应用中存储和查询事件的方式。以下是有关Redis流数据结构的详细信息：

1. Redis的流数据结构：

   • Redis流是一个有序的、不可变的事件日志，它以递增的方式记录事件，每个事件都有唯一的ID。
   • 每个流包含一个或多个消费者组，消费者组中的每个消费者都可以读取流中的事件。
   • 流支持发布事件，消费事件，获取事件范围，以及支持时间戳等特性。

2. 使用流实现消息队列：

   • 使用流来实现消息队列是一种常见的用途。你可以使用XADD命令将消息发布到流中，然后使用XREAD命令从流中获取消息。
   • 一个简单的示例是创建一个流来存储任务消息，生产者使用XADD将任务发布到流中，而消费者使用XREAD来获取并处理任务。
   • 消费者可以使用消费组（Consumer Group）来协作地消费消息，确保消息只被一个消费者处理。

3. 流的持久性：

   • Redis的流数据结构是持久性的，事件不会在写入后立即删除。你可以配置流的最大长度，以控制存储事件的数量，超出最大长度后的事件将被删除。
   • 流的数据可以在Redis重启后仍然保持。

4. 消费组和其他特性：

   • 消费组是一组消费者，它们可以协同消费流中的事件。每个消费者组都有一个消费者组名称，用于标识不同的消费者组。
   • 消费组中的每个消费者都有一个消费者名称，用于标识不同的消费者。
   • 消费组会维护每个消费者的消费状态，以确保每个事件只被一个消费者处理。
   • Redis流还支持阻塞消费，即消费者可以使用XREADGROUP命令来等待新的事件，并在事件到达时立即处理它们。
   • 流支持对事件设置字段和值，支持时间戳，允许灵活的数据建模。

5. 常用命令

   • XADD：插入消息，保证有序，可以自动生成全局唯一ID；

XADD mqstream * repo 5
#这句命令意思是往名称为mqstream的消息队列中插入一条消息，消息的键是repo，值是5，其中，消息队列名称后面的*，表示让redis为插入的数据自动生成一个全局唯一的ID

• XREAD：用于读取消息，可以按ID读取数据；

  XREAD BLOCK 100 STREAMS mqstream 1599203861727-0
  #当消费者需要读取消息时，可以直接使用XREAD命令从消息队列中读取。XREAD在读取消息时，可以指定一个消息ID，并从这个消息ID的下一条消息开始进行读取。另外在调用XREAD是设定block配置项实现类似于BRPOP的阻塞读取操作。当消息队列中没有消息时，一旦设置了block配置项，XREAD就会阻塞，阻塞时长可以在block配置项进行设置
  

  这里举个例子

  XREAD block 10000 streams mqstream $
  #命令最后的$符号表示读取最新的消息，同时，我们设置了block 10000的配置项，10000的单位是毫秒，表明XREAD在读取最新消息时，如果没有消息到来，XREAD将阻塞10000毫秒，然后再返回。
  

• XREADGROUP：按消费组形式读取消息；

  Streams本身可以使用XGROUP创建消费组，创建消费组之后，Streams可以使用XREADGROUP命令让消费组内的消费者读取消息

  XGROUP create mqstream group1 0
  XREADGROUP group group1 consumer1 streams mqstream >
  #命令最后的参数">"表示从第一条尚未被消费的消息开始读取。因为在consumer1读取消息前，group1中没有其他消费者读取过消息，所以，consumer1就得到mqstream消息队列中的所有消息了
  

  其中如果消息队列中的消息，被消费者组里的消费者读取了，就不能再被该消费组内的其他消费者读取了。之所以我们使用消费者组，是为了多个消费者共同分担读取消息，让group2中的consumer1、2、3各自读取一条消息。

  XREADGROUP group group2 consumer1 count 1 stream mqstream >
  

• XPENDING和XACK：XPENDING命令可以用来查询每个消费组内所有消费者已读取但尚未确认的消息，而XACK命令用于向消息队列确认消息处理已完成。

  XPENDING mqstream group2
  #查看某一个消费者具体读取了哪些数据
  XPENDING mqstream group2 - + 10 consumer2
  XACK mqstream group2 1599274912765-0
  

Redis流是一种强大的数据结构，适用于实时事件处理、消息队列、日志和时间序列数据等应用。它提供了丰富的特性，使其成为一个灵活和高性能的数据存储解决方案。

第三：Pub/Sub vs. Stream

发布/订阅（Pub/Sub）和流（Stream）都是Redis的消息传递机制，但它们有不同的特点和适用场景。以下是发布/订阅和流的特点比较以及如何选择适合你需求的解决方案的指导：

发布/订阅 vs. 流：

发布/订阅（Pub/Sub）：

1. 特点：

   • 实时消息传递：适用于实时通知、事件处理和消息广播。
   • 解耦合：发布者和订阅者之间解耦合，发布者不知道订阅者的身份。
   • 无持久性：消息是瞬时的，不会保存到磁盘。
   • 动态性：订阅者可以动态选择要订阅的频道。

2. 适用场景：

   • 实时通知：用于向订阅者发送实时通知，如聊天应用程序。
   • 事件处理：用于发布和订阅事件，以触发特定的操作或处理程序。
   • 简单消息广播：用于向多个订阅者广播消息，例如发布新闻或广告。

流（Stream）：

1. 特点：

   • 有序事件日志：存储有序事件，每个事件有唯一的ID。
   • 持久性：事件是持久的，不会立即删除，可以设置最大长度限制。
   • 消费组：支持多个消费者协同处理事件，确保每个事件只被一个消费者处理。
   • 支持阻塞消费：消费者可以等待新事件的到达并立即处理。

2. 适用场景：

   • 消息队列：用于实现消息队列，支持任务分发和处理。
   • 事件日志：用于存储事件日志，支持数据同步和日志记录。
   • 时间序列数据：用于记录和查询时间序列数据，如传感器数据和度量指标。

选择适合你需求的解决方案：

• 使用发布/订阅：

  • 当你需要实现实时通知、事件处理和消息广播时，发布/订阅是一个合适的选择。
  • 适合解耦合的场景，其中发布者和订阅者不需要直接交互。

• 使用流：

  • 当你需要实现消息队列、事件日志、或时间序列数据存储和查询时，流是一个更合适的选择。
  • 适合需要持久性、多消费者协同处理和阻塞消费的场景。

示例：在实际应用中的使用情景：

1. 使用发布/订阅：

   • 实时聊天应用程序：用于用户之间的实时消息传递。
   • 实时新闻推送：用于向订阅者发送最新新闻。
   • 事件处理系统：用于触发和处理事件，如用户注册和支付确认。

2. 使用流：

   • 任务队列：用于分发和处理任务，如后台任务处理。
   • 数据同步：用于数据更新和同步，确保多个系统之间的一致性。
   • 时间序列数据库：用于存储和查询时间序列数据，如监控和日志记录。

选择发布/订阅或流取决于你的具体需求和应用场景。这两种机制都是Redis提供的强大工具，可以根据不同的需求来选择适当的消息传递方式。

第四：高级主题

优化Redis消息队列性能、容错性、持久性、消息顺序保证以及安全性和授权控制是关键的高级主题。以下是有关这些主题的详细信息：

消息队列性能优化：

1. Pipeline操作：使用Redis的管道（Pipeline）来批量执行多个命令，减少网络延迟，提高性能。

2. 连接池：使用连接池来管理Redis连接，避免频繁的连接和断开，减少连接开销。

3. 消息批处理：批处理消息以减少每条消息的处理开销，减少Redis负载。

4. 消息压缩：如果消息内容较大，可以考虑对消息进行压缩，减少存储和传输开销。

容错性、持久性和消息顺序保证：

1. Redis Sentinel或Cluster：使用Redis Sentinel或Cluster来实现容错性，确保Redis高可用。

2. AOF日志：启用Redis的AOF（Append-Only File）日志来确保消息持久性，将数据写入磁盘。

3. 消息序号：为每条消息分配唯一的序号，以确保消息顺序保证。

4. 处理幂等性：处理消费消息时，确保操作是幂等的，以防止重复消息的影响。

安全性和授权控制：

1. 密码保护：通过设置密码（密码认证）来限制对Redis的访问，确保只有授权用户能够连接。

2. ACL（访问控制列表）：使用Redis的ACL功能来精确控制每个用户或客户端的权限，包括读写操作和命令级别的权限控制。

3. 网络隔离：将Redis部署在内部网络中，不要直接暴露到公共网络上，以减少潜在的攻击面。

4. SSL/TLS加密：使用SSL/TLS来加密Redis连接，确保数据在传输过程中的安全性。

5. IP过滤：使用防火墙或IP过滤来限制连接到Redis的IP地址范围。

6. 认证和授权：实现自定义的认证和授权逻辑，以满足特定的安全需求。

以上方法可以帮助提高Redis消息队列的性能、容错性、持久性、消息顺序保证以及安全性和授权控制。根据具体的需求和安全标准，可以选择适当的策略和组合来保护Redis消息队列。

第五：实战案例

搭建基于Redis的消息队列系统并将其用于解决实际问题是一个常见而有益的练习。以下是一个示例实战案例，以搭建Redis消息队列并解决一个实际问题：

案例：构建任务分发系统

目标：创建一个基于Redis消息队列的任务分发系统，用于异步处理任务，例如发送电子邮件。

步骤：

1. 搭建Redis环境：

   • 安装和配置Redis服务器，确保Redis可用并运行。

2. 创建发布者和消费者：

   • 编写生产者（发布者）和消费者的代码。生产者将任务发布到Redis队列，而消费者将从队列中获取并处理任务。
   • 生产者示例（使用Python的redis-py库）：

   import redis
   
   # 连接Redis
   r = redis.Redis(host='localhost', port=6379, db=0)
   
   # 发布任务
   r.lpush('task_queue', 'task_data')
   

   • 消费者示例：

   import redis
   
   # 连接Redis
   r = redis.Redis(host='localhost', port=6379, db=0)
   
   while True:
       # 从队列中获取任务
       task_data = r.rpop('task_queue')
   
       if task_data:
           # 处理任务
           print(f"Processing task: {task_data.decode('utf-8')}")
       else:
           # 队列为空，等待新任务
           pass
   

3. 分发任务：

   • 生产者可以随时发布任务到队列，这些任务可以包括发送电子邮件、生成报告、处理数据等。
   • 消费者会从队列中获取任务并进行处理。

4. 处理失败和重试：

   • 在消费者处理任务时，要实现失败处理和重试机制，以应对任务处理失败的情况。可以将失败的任务放回队列，或将其记录到一个错误队列以供后续处理。

5. 监控和管理：

   • 可以编写监控脚本来监视队列的长度和任务处理状态。此外，可以创建管理工具来添加、删除、暂停或恢复任务处理者。

应用场景

这种基于Redis的任务分发系统可用于多种应用场景，包括：

• 异步电子邮件发送：将电子邮件任务发布到队列，以减少响应时间，同时不阻塞主应用程序。
• 数据处理：处理大量数据，如日志处理、图像处理、报告生成等，以提高应用程序性能。
• 定时任务：执行定期任务，如定时备份、数据清理等。

这个实战案例展示了如何构建一个简单而实用的任务分发系统，利用Redis的消息队列机制来实现异步任务处理，提高应用程序的性能和可伸缩性。