一文带你了解 Redis 的发布与订阅的底层原理

01、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的，常用的消息队列有 Kafka，RocketMQ，RabbitMQ，每一种消息队列都有其特性，关于 Kafka 的使用和源码分析，公号前面有相关的文章，大家可以前往回顾一下，另外两款消息队列大家有需要可以自行研究，后续我们会出相应的介绍文章。这篇文章主要是给大家介绍 Redis 的发布订阅系统，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。

02、使用方式

2.1 发布与订阅

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。

上图中有四个客户端，Client 02，Client 03，Client 04 订阅了同一个Sport 频道（Channel），这时当 Client 01 向 Sport Channel 发送消息 “basketball” 的时候，02-04 这三个客户端都同时收到了这条消息。

整个过程的执行命令如下：

首先开四个 Redis 的客户端，然后在 Client 02，Client 03，Client 04 中输入subscribe sport 命令，表示订阅 sport 这个频道

然后在 Client 01 的客户端中输入publish sport basketball 表示向 sport 频道发送消息 “basketball”

这个时候我们在去看下Client 02-04 的客户端，可以看到已经收到了消息了，每个订阅了这个频道的客户端都是一样的。

这里 Client 02-Client 04 三个客户端订阅了 Sport 频道，我们叫做订阅者（subscriber），Client 01 发布消息，我们叫做发布者（publisher），发送的消息就是 message。

2.2、模式订阅

前面我们看到的是一个客户端订阅了一个 Channel，事实上单个客户端也可以同时订阅多个 Channel，采用模式匹配的方式，一个客户端可以同时订阅多个 Channel。

如上图 Client 05 通过命令subscribe run 订阅了 run 频道，Client 06 通过命令psubscribe run* 订阅了 run* 匹配的频道。当 Client 07 向 run 频道发送消息 666 的时候，05 和 06 两个客户端都收到消息了；接下来 Client 07 向 run1 和 run_sport 两个频道发送消息的时候，Client 06 依旧可以收到消息，而 Client 05 就收不到了消息了。

Client 05 订阅run 频道和接收到消息：

Client 06 订阅run* 频道和接收到消息：

Client 07 向多个频道发送消息：

通过上面的案例，我们学会了一个客户端可以订阅单个或者多个频道，分别通过subscribe，psubscribe 命令，客户端可以通过 publish 发送相应的消息。

在命令行中我们可以用 Ctrl + C 来取消相关订阅，对应的命令时 unsubscribe channelName。

03、Pub/Sub 底层存储结构

3.1、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

整个订阅的过程可以采用下面伪代码来实现

Map<String, List<Object>> pubsub_channels = new HashMap<>();
    public void subscribe(String[] subscribeList, Object client) {
        //遍历所有订阅的 channel，检查是否在 pubsub_channels 中，不在则创建新的 key 和空链表
        for (int i = 0; i < subscribeList.length; i++) {
            if (!pubsub_channels.containsKey(subscribeList[i])) {
                pubsub_channels.put(subscribeList[i], new ArrayList<>());
            }
            pubsub_channels.get(subscribeList[i]).add(client);
        }
    }

3.2 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。

public void unSubscribe(String[] subscribeList, Object client) {
        //遍历所有订阅的 channel，依次删除
        for (int i = 0; i < subscribeList.length; i++) {
            pubsub_channels.get(subscribeList[i]).remove(client);
            //如果长度为 0 则清楚 channel
            if (pubsub_channels.get(subscribeList[i]).size() == 0) {
                remove(subscribeList[i]);
            }
        }
    }

04、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*。

4.1、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。

对应的伪代码如下：

List<PubSubPattern> pubsub_patterns = new ArrayList<>();
    public void psubscribe(String[] subscribeList, Object client) {
        //遍历所有订阅的 channel，创建节点
        for (int i = 0; i < subscribeList.length; i++) {
            PubSubPattern pubSubPattern = new PubSubPattern();
            pubSubPattern.client = client;
            pubSubPattern.pattern = subscribeList[i];
            pubsub_patterns.add(pubSubPattern);
        }
    }

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；

4.2、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。

伪代码如下：

public void punsubscribe(String[] subscribeList, Object client) {
        //遍历所有订阅的 channel 相同 client 和 pattern 属性的节点会删除
        for (int i = 0; i < subscribeList.length; i++) {
            for (int j = 0; j < pubsub_patterns.size(); j++) {
                if (pubsub_patterns.get(j).client == client
                && pubsub_patterns.get(j).pattern == subscribeList[i]) {
                    remove(pubsub_patterns);
                }
            }
        }
    }

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。

05、发布消息

发布消息比较好容易理解，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就好。

06、总结

这篇文章主要给大家介绍了一下 Redis 的发布/订阅的使用方式和底层的存储结构以及部分伪代码的实现，希望对大家有帮助。最后欢迎大家到我们《Java 极客技术》知识星球中来跟我们一起学习，一起进步。