干货 | Redis 实现发布订阅原理与实践

写在前面

Redis 是完全开源的，高性能的 key-value 数据库，受到越来越多的业务场景应用。对于"发布/订阅"的消息模式，大家也许都比较了解，但是其实现原理及应用是否还存在模糊呢？

今天计划同大家一起，深入浅出讲透 Redis 发布订阅，尽量通俗易懂，让大家轻松上手。

发布/订阅模式

关于发布/订阅模式

在软件架构中，发布/订阅是一种消息模式，消息的发送者（称为发布者）不会将消息直接发送给特定的接收者（称为订阅者），而是通过消息通道广播出去，让订阅该消息主题的订阅者消费到。

Redis提供了发布订阅功能，可以用于消息的传输，Redis的发布订阅机制包括三个部分：发布者（Publisher），订阅者（Subscriber）和频道（Channel）。发布/订阅者模式最大的特点就是实现了松耦合。

Redis发布订阅分类

• 频道的发布订阅
• 模式的发布订阅

下面来分别详细阐述一下其实现原理及应用。

频道的发布订阅

实现原理

Redis将所有频道的订阅关系都保存在服务器状态的 pubsub_channels 字典，字典的键是某个被订阅的频道，而对应值则是一个链表，链表里记录了所有订阅这个频道的客户端。

struct redisServer{    //...
    // 保存所有频道订阅关系    dict *pubsub_channels;        //...}

一个pubsub_channels字典示例如下：

• client-1、client-2、client-3 三个客户端正在订阅 “article.tech” 频道
• 客户端 client-4 正在订阅 “article.mysql” 频道
• client-5、client-6 两个客户端正在订阅 “article.redis” 频道

订阅频道

相关命令：

SUBSCRIBE channel [channel …]

当客户端执行SUBSCRIBE命令订阅某个或某些频道的时候，这个客户端与被订阅频道之间就建立起了一种订阅关系。

建立订阅关系执行分两种情况：

1）该频道已有其他订阅者

该频道在 pubsub_channels 字典中存在订阅者链表，将此客户端添加至订阅者链表末尾即可；

2）该频道暂无订阅者

该频道在 pubsub_channels 字典中不存在订阅者链表，首先在字典中为频道创建一个键，并将这个键的值设置为空链表，然后将客户端添加到链表，成为链表的第一个元素。

参考示例：

客户端client-10086 执行命令：

SUBSCRIBE "article.mysql" "article.java"

执行SUBSCRIBE命令之后的 pubsub_channels 字典：

退订频道

相关命令：

UNSUBSCRIBE channel [channel …]

当客户端退订某个或某些频道的时候，服务器将从 pubsub_channels 中解除客户端与被退订频道之间的关联。

解除订阅关系执行过程：

1）根据被退订频道的名字，在 pubsub_channels 字典中找到频道对应的订阅者链表，然后从订阅者链表中删除退订客户端的信息；

2）假如删除退订客户端后，频道的订阅者链表变成了空链表，那么说明这个频道已无任何订阅者了，将从 pubsub_channels 字典中删除频道对应的键。

参考示例：

客户端client-10086 执行命令：

UNSUBSCRIBE "article.mysql" "article.java" "article.a"

执行SUBSCRIBE命令之后的pubsub_channels字典：

我们注意到虽然退订频道里包含 "article.a"，但是由于 "article.a" 在 pubsub_channels 字典中不存在，则被忽略。

模式的发布订阅

模式与频道的区别，简单理解模式是多个频道的组合。

实现原理

Redis将所有模式的订阅关系都保存在服务器状态的 pubsub_patterns 链表，链表的每个节点都包含着一个 pubsub Pattern 结构，这个结构的 pattern 属性记录了被订阅的模式，而 client 属性则记录了订阅模式的客户端。

struct redisServer{
    //...        // 保存所有模式订阅关系    dict *pubsub_patterns;        //...}

一个pubsub_patterns链表示例：

• 客户端 client-7 正在订阅模式 "book.*"
• 客户端 client-8 正在订阅模式 "column.*"

订阅模式

相关命令：

PSUBSCRIBE pattern [pattern …]

当客户端执行 PSUBSCRIBE 命令订阅某个或某些模式的时候，服务器会对每个被订阅的模式执行以下两个操作：

1）新建一个 pubsubPattern结果，将结构的 pattern 属性设置为被订阅的模式，client 属性设置为订阅模式的客户端；

2）将pubsubPattern结构添加到 pubsub_patterns 链表的尾部。

参考示例：

客户端 client-9 执行命令：

PSUBSCRIBE "article.*"

执行 PSUBSCRIBE 命令之后的 pubsub_patterns 链表：

退订模式

相关命令：

PUNSUBSCRIBE pattern [pattern …]

当客户端退订某个或某些模式的时候，服务器将从 pubsub_patterns 链表中查找并删除那些 pattern 属性为被退订模式，并且client 属性为执行退订命令的客户端的 pubsubPattern 结构。

简单理解即：查找client、pattern 均相同的 pubsubPattern 并删除。

参考示例：

客户端 client-9 执行命令：

PUNSUBSCRIBE "article.*"

执行 PUNSUBSCRIBE 命令之后的 pubsub_patterns 链表：

发消息

相关命令：

PUBLISH <channel> <message>

将消息message 发送给channel 频道的所有订阅者，以及发送给 channel 频道相匹配模式的订阅者。

发消息执行过程：

1）在 pubsub_channels 字典里找到频道 channel 的订阅者列表，然后将消息发送给列表上所有客户端；

2）遍历 pubsub_patterns 链表，查找与channel 频道相匹配的 pattern 模式，并将消息发送给订阅了这些 pattern 模式的客户端。

参考示例：

当前 pubsub_channels 字典状态如下：

当前 pubsub_patterns 链表状态如下：

此时某客户端执行如下命令：

PUBLISH "article.redis" "hello"

发消息执行过程：

• PUBLISH 命令会先将消息 "hello" 发送给 "articleredis" 频道的所有订阅者（client-5、client-6）；
• 然后在 pubsub_patterns 链表中查找是否有被订阅的模式与 "article.redis" 频道相匹配，随机找到 "article.*" 模式，随即将消息 "hello" 发送给client-9。

发布订阅原理小结

发布订阅原理，主要小结如下：

• pubsub_channels 字典保存了所有频道的订阅关系：SUBSCRIBE 命令负责将客户端与被订阅的频道关联到字典，而UNSUBSCRIBE 命令负责解除客户端和被退订频道之间的关联；
• pubsub_patterns 链表保存了所有模式的订阅关系：PSUBSCRIBE 命令负责将客户端与被订阅的模式记录到链表，而PUNSUBSCRIBE 命令负责移除客户端和被退订模式在链表中的记录；
• PUBLISH 命令通过访问pubsub_channels 字典来向频道的所有订阅者发送消息，通过访问 pubsub_patterns 链表向所有匹配频道的模式的订阅者发送消息。

实际应用案例经验分享

背景描述

我们以信息订阅分发网站为例，假设 Chat 文章结构如下所示：

各 chat 相当于“频道”，前端、后端、测试 等分类可理解为一类频道的组合，成为“模式”。

数据剖析

假如用户进行 chat（频道） 及分类（模式）的订阅：

• 用户 A 预定了频道 chat-1
• 用户 B 预定了频道 chat-16 和模式“后端”
• 用户 C 预定了模式“前端”和频道 chat-101

频道和模式的订阅关系如图所示：

Redis 记录发布订阅频道的数据格式如下：

Redis 记录发布订阅模式的数据格式如下：

操作执行

此时某客户端执行如下命令：

PUBLISH "chat-1" "hello"

执行过程如下：

• PUBLISH 命令会先将消息 "hello" 发送给 "chat-1" 频道的所有订阅者 用户 A；
• 然后在 pubsub_patterns 链表中查找是否有被订阅的模式与 "chat-1" 频道相匹配，随机找到 "前端" 模式，随即将消息 "hello" 发送给 用户 C。

其他消息发送执行过程，对于订阅关系及消息发送与上述场景同理，大家可以尝试自行分析。

能力应用

Redis 发布订阅应用场景比较广泛，类似微博/微信公众号这种关注/订阅以及消息推送能力，同样还可以作为实时消息系统（类似聊天/群聊能力支持）。

利用 Redis 发布订阅可以快速实现用户订阅/关注关系维护以及后续消息推送能力，本 文从概念到原理分析，再到具体案例应用讲解，算是带大家基本熟悉了 Redis 发布订阅的全貌，希望对你今后的工作有所帮助，谢谢。

Thanks for reading!

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