Redis核心技术与实战【学习笔记】 - 31.番外篇：Redis客户端如何与服务器端交换命令和数据

简述

Redis 使用 RESP 协议（Redis Serialzation Protocol）协议定义了客户端和服务器端交互的命令、数据的编码格式。在 Redis 2.0 版本中，RESP 协议正式称为客户端和服务器端的标准通信协议。从 Redis 2.0 到 Redis 5.0 ，RESP 协议都称为 RESP 2 协议，从 Redis 6.0 开始，Redis 就采用 RESP 3 协议了。

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1.客户端和服务器端交互的内容有哪些？

RESP 2 协议是如何对命令和数据进行格式编码的呢？

我们可以把交互内容，分成客户端请求和服务器端响应两类：

• 在客户端请求中，客户端会给 Redis 发送命令，以及要写入的键和值。
• 而在服务器响应中，Redis 实例会返回：
  • 读取的值
  • OK 标识
  • 成功写入的元素个数
  • 错误信息
  • 以及命令（如 Redis Cluster 中的 MOVE 命令）

其实，这些交互内容还可以再进一步细分成 7 类：

1. 命令：这就是针对不同数据类型的命令操作。例如对 String 类型的 SET、GET 操作，对 Hash 类型的 HSET、HGET 等，这些命令就是代表操作语义的字符串。
2. 键：键值对中的键，可以直接用字符串表示。
3. 单个值：对应 String 类型的数据，数据本身可以是字符串、数值（整数或浮点数），布尔值（True 或 False）等。
4. 集合值：对应 List、Hash、Set、Sorted Set 类型的数据，不仅包含多个值，而且每个值也可以是字符串、数值或布尔值等。
5. OK 回复：对应命令操作成功的结果，就是一个字符串的 OK。
6. 整数回复：这里有两种情况。
   • 一种是命令操作返回的结果是整数，例如 LLEN 命令返回列表的长度。
   • 另一种是集合命令成功操作时，实际操作元素的个数，例如 SADD 命令返回成功添加的元素个数。
7. 错误信息：命令操作出错是的返回结果，包括 error 标识，以及具体的错误信息。

下面再接个三个具体的例子，帮助你进一步掌握这些交互内容。

第一个例子

# 成功写入String类型数据，返回 OK
127.0.0.1:6379> SET testkey testvalue
OK

这里的交互内容就包括了命令（SET 命令）、键（String类型的键 testkey）和单个值（String 类型的 testvalue），而服务器端直接返回一个 OK 回复。

第二个例子

# 成功写入Hash类型数据，返回实际写入的集合元素个数
127.0.0.1:6379> HSET testhash a 1 b 2 c 3
(integer) 3

这里的交互内容包括三个 key-value 的 Hash 集合值（a 1 b 2 c 3），而服务器端返回整数回复（3），表示成功写入的元素个数。

第三个例子

# 发送的命令不对，报错，并返回报错信息
127.0.0.1:6379> PUT testkey2 testvalue
(error) ERR unknown command 'PUT', with args beginning with: 'testkey2', 'testvalue'

这里的交互内容包括三个 key-value 的 Hash 集合值（a 1 b 2 c 3），而服务器端返回整数回复（3），表示成功写入的元素个数。

可以看到，这里的交互内容包括错误信息，这是因为，Redis 实例本身不支持 PUT 命令，所以服务器报错 error ，并返回具体的报错，也就是位置的命令 “PUT”。

2.RESP 2的编码格式规范

RESP 2 协议的设计目标是，希望 Redis 开发人员实现客户端时简单方便，这样可以减少客户端开发时出现的 Bug。而且，客户端和服务器端交互出现问题时，开发人员可以通过查看协议交互过程，能快速定位问题，方便调试。所以，RESP 2 协议采用了可读性很好的文本形式进行编码，也就是通过字符串，来表示各种命令和数据。

不过交互内容有多重，而且，实际传输的命令或数据也会有多个。针对这两种情况，RESP 2 协议在编码时设计了两个基本规范。

1. 为了对不同类型的交互内容进行编码，RESP 2 协议实现了物资编码格式类型。同时，为了区分这 5 种编码类型，RESP 2 使用一个专门的字符，作为每种编码类型的开头字符。这样，客户端或服务器端进行解析时，可以直接通过开头字符串知道当前解析的编码类型。
2. RESP 2 进行编码时，会按照单个命令或单个数据的粒度进行编码，并在每个编码结果后增加一个换行符 \r\n（有时也表示成 CRLF），表示一次编码结束。

接下来，分别结束下这 5 中编码类型。

2.1 简单字符串类型（RESP Simple String）

这种类型就是用一个字符串来进行编码，比如，请求操作在服务器端成功执行后的 OK 表示回复，就是这种类型进行编码的

当服务器端成功执行一个操作后，返回的 OK 标识就可以编码如下：

+OK\r\n

2.2 长字符串类型（RESP Bulk String）

这种类型是用一个二进制安全的字符串来进行编码。

这里的二进制安全，是相对于 C 语言中对字符串的处理方式来说的。 Redis 在解析字符串时，不会像 C 语言那样，使用 \0 来判定一个字符串的结尾，Redis 会把 \0 解析成正常的 0 字符，并使用额外的属性值表示字符串的长度。

对于 Redis\0Cluster\0 这个字符串来说，C 语言会解析为 “Redis”，而 Redis 会解析为 “Redis Cluster”，并用 len 属性字符串的真实长度是 14 字节，如下图所示：

这样一来，字符串中即使存储了 \0 字符，也不会导致 Redis 解析到 \0 时，就认为字符串结束了从而停止，这就保证了数据的安全性。和长字符串类相比，简单字符串就是非二进制安全的。

长字符串类型最大可以达到 512 MB，所以可以对很大的数据量进行编码，正好可以满足键值对本身的数据量需求，所以 RESP 2 就用这种类型对交互内容中的键或值进行编码，并且使用 $ 字符作为开头字符， $ 字符后面会紧跟一个数字，这个数字表示字符串的实际长度。

例如，我们使用 GET 命令读取一个键（假设为 testkey）的值（假设值为 testvalue）时，服务器端返回的 String 值编码如下，其中 $ 字符后的 9 ，表示数据长度为 9 个字符。

$9 testvalue\r\n

2.3 整数类型（RESP Integer）

这种数据类型也是一个字符串，但表示的是一个有符号 64 位整数。为了和包含数字的简答字符串类型区分开，整数类型使用 : 字符作为开头，可以用于对服务器端返回的整数回复进行编码。

例如，上面的第二个例子中，我们使用 HSET 命令设置了 testhash 的三个元素，服务器端实际返回的编码结果如下：

:3\r\n

2.4 错误类型（RESP Errors）

它是一个字符串，包括了错误类型和具体的错误信息。Redis 服务器端报错响应就是用这种类型进行编码的。RESP 2 使用 - 字符作为它的开头字符。

例如，上面的第三个例子中，我们在 redis-cli 执行 PUT testkey2 testvalue 命令报错，服务器端实际返回给客户端的报错编码结果如下：

-ERR unknown command 'PUT', with args beginning with: 'testkey2', 'testvalue'

其中 ERR 就是报错类型，表示一个统一错误，ERR 后面的文字内容就是具体的报错信息。

2.5 数组编码类型（RESP Arrays）

这是一个包含多个元素的数组，之前，元素的类型可以是刚刚介绍的 4 种编码类型。

在客户端发送请求和服务器端返回结果时，数组编码类型都能用的上。客户端在发送请求操作时，一般会同时包括命令和要操作的数据。而数组类型包含了多个元素，所以，就适合用来对发送的命令和数据进行编码。为了和其他类型区分开，RESP 2 使用 * 字符作为它的开头字符。

例如，我们执行 GET testkey，此时，客户端发送给服务器端的命令的编码结果就是使用数组类型编码的，如下所示：

*2\r\n$3\r\nGET\r\n$7\r\ntestkey\r\n

• 其中，第一个 * 字符标识当前是数组类型的编码结果，2 标识该数组有 2 个元素，分别对应命令 GET 和 键 testkey。
• 命令 GET 和 键 testkey，都是使用长字符串类型编码的，所以用 $ 字符加字符串长度来表示。

类型的，当服务器端返回包含多个元素的集合类型数据时，也会用 * 字符和元素个数作为标识，并用长字符串类型对返回的集合元素进行编码。

RESP 2 协议的 5 种编码类型和相应的开头字符，我在下表做了小结。

编码类型	简单字符串	长字符串	整数	错误	数组
开头第一个字符	+	$	:	-	*

3.RESP 2 的不足和 RESP 3 的改进

虽然 RESP 2 协议提供了 5 种编码类型，看起来很丰富，其实是不够的。比较，基本数据类型还包括很多，例如浮点数、布尔值等。编码类型偏少，会带来两个问题。

• 一方面，在值的基本数据类型方面，RESP 2 只能区分字符串和证书，对于其他的数据类型，客户端使用 RESP 2 协议时，就需要进行额外的转换操作。例如，当一个浮点数用字符串表示时，客户端需要将字符串中的值和实际数字值比较，判断是否为数字值，然后再将字符串转换成实际的浮点数。
• 另一方面，RESP 2 用数组类别编码表示所有的集合类型，但是，Redis 的集合类型包括了 List、Hash、Set 和 Sorted Set。当客户端接收到数组类型编码的结果时，还需要根据 调用的命令操作接口，来判断返回的数组究竟是哪一种集合类型。

假设一个 Hash 类型的键是 testhash，集合元素分别为 a:1、b:2、c:3。同时，有一个 Sorted Set 类型的键 testzset，集合的元素分别是 a、b、c，它们的分数分别是 1、2、3.我们在 redis-cli 客户端中读取它们返回的结果时，返回的形式都是一个数组：

127.0.0.1:6379> HGETALL testhash
1) "a"
2) "1"
3) "b"
4) "2"
5) "c"
6) "3"

127.0.0.1:6379> ZRANGE testzset 0 3 withscores
1) "a"
2) "1"
3) "b"
4) "2"
5) "c"
6) "3"

为了在客户端按照 Hash 和 Sorted Set 两种类型处理代码中返回的数据，客户端还需要根据发送的命令操作 HGETALL 和 ZRANGE ，来把这两个编码的数组结果转换成相应的 Hash 集合和有序集合，增加了客户端额外的开销。

从 Redis 6.0 版本开始，RESP 3 协议增加了对多种数据类型的支持，包括：

• 空值
• 浮点数
• 布尔值
• 有序的字典集合
• 无需的集合
• 等

RESP 3 也是通过不同的开头字符区分不同的数据类型，例如，当开头第一个字符是 ,，就表示接下来的结果是浮点数。这样一来，客户端就不用再通过额外的字符串对比，来实现数据转换操作了，提升了客户端的效率。

4.小结

RESP 2 协议题了 5 中类型的编码格式，包括简单字符串类型、长字符串类型、整数类型、错误类型和数组类型。为了区分这 5 种类型，RESP 2 协议使用了 5 种不同的开头字符作为这 5 种类型编码结果的第一个字符，分别是 +、$、:、-、*。

RESP 2 协议是文本形式的协议，实现简单，可以减少客户端开发出现的 Bug，而且可读性强，便于开发调试。当你需要定制化 Redis 客户端时，就需要了解和掌握 RESP 2 协议。

RESP 2 协议的一个不足就是支持的类型偏少，所以 Redis 6.0 版本使用了 RESP 3 协议。和 RESP 2 协议相比，RESP 3 协议增加了对浮点数、布尔类型、有序字典集合、无序集合等多种类型数据的支持。不过，这里，有个地方需要你注意，Redis 6.0 只支持 RESP 3，对 RESP 2 协议不兼容，所以如果你使用 Redis 6.0 版本，需要确认客户端已经支持了 RESP 3 协议，否则将无法使用 Redis 6.0。

如果你想查看服务器端返回数据的 RESP 2 编码结果，就可以使用 telnet 命令和 Redis 实例连接，执行如下命令：

telnet 实例IP 实例端口

接着，给实例发送命令，这样就能看到 RESP 2 协议编码后的返回结果了。当然，你也可以在 telnet 中，想 Redis 实例发送 RESP 2 协议编写的命令，实例同样能处理。