Redis Stream队列与多线程模型

时间：2022-07-16 01:07:03

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Stream队列与多线程模型

Stream队列

Redis5.0版本新出stream数据结构，是实现消息队列的功能的。

Redis Stream队列与多线程模型

Redis Stream 的结构如上图所示,每一个Stream都有一个消息链表，将所有加入的消息都串起来，每个消息都有一个唯一的 ID 和对应的内容。

每个 Stream 都有唯一的名称，它就是 Redis 的 key，在我们首次使用xadd指令追加消息时创建的。

每个 Stream 都可以挂多个消费组，每个消费组会有个游标last_delivered_id在 Stream 数组之上往前移动，表示当前消费组已经消费到哪条消息了。每个消费组都有一个 Stream 内唯一的名称，消费组不会自动创建，它需要单独的指令xgroup create进行创建，需要指定从 Stream 的某个消息 ID 开始消费，这个 ID 用来初始化last_delivered_id变量。

每个消费组 (Consumer Group) 的状态都是独立的，相互不受影响。也就是说同一份 Stream 内部的消息会被每个消费组都消费到。

同一个消费组 (Consumer Group) 可以挂接多个消费者 (Consumer)，这些消费者之间是竞争关系，任意一个消费者读取了消息都会使游标last_delivered_id往前移动。每个消费者有一个组内唯一名称。

消费者 (Consumer) 内部会有个状态变量pending_ids，它记录了当前已经被客户端读取,但是还没有 ack的消息。

消息 ID 的形式是timestampInMillis-sequence，时间戳-流水号。消息 ID 可以由服务器自动生成，也可以由客户端自己指定，但是形式必须是整数-整数，而且必须是后面加入的消息的 ID 要大于前面的消息 ID。建议不要自己指定

消息内容就是键值对，形如 hash 结构的键值对



生产端

生产端常用命令如下所示：

# 追加消息
# xadd stream名字 消息id key value [key value ...]
xadd streamtest * name hushang age 23

# 删除消息，这里的删除仅仅是设置了标志位，不会实际删除消息。如果不指定消息id直接执行则是删除整个stream中的消息
# xdel 	stream名字 消息id
xdel streamtest 165847589548-0

# 获取消息，会过滤掉删除了的消息，也可以用- + 表示获取所有消息,-表示最小值  + 表示最大值
# xrange stream名字 最小消息id 最大消息id
xrange streamtest - +

# 获取stream中消息数量
# xlen stream名字
xlen streamtest

# 删除stream
del stream名字

案例

# 首先新增三条消息
127.0.0.1:6379> xadd streamtest * name hushang age 23
"1679980604367-0"
127.0.0.1:6379> xadd streamtest * name zhangsan age 24
"1679980624235-0"
127.0.0.1:6379> xadd streamtest * name lisi age 18
"1679980635354-0"


# 查询消息
127.0.0.1:6379> xrange streamtest - +
1) 1) "1679980604367-0"
   2) 1) "name"
      2) "hushang"
      3) "age"
      4) "23"
2) 1) "1679980624235-0"
   2) 1) "name"
      2) "zhangsan"
      3) "age"
      4) "24"
3) 1) "1679980635354-0"
   2) 1) "name"
      2) "lisi"
      3) "age"
      4) "18"
127.0.0.1:6379> xrange streamtest - 1679980624235-0
1) 1) "1679980604367-0"
   2) 1) "name"
      2) "hushang"
      3) "age"
      4) "23"
2) 1) "1679980624235-0"
   2) 1) "name"
      2) "zhangsan"
      3) "age"
      4) "24"
     
# 获取消息数量与删除消息     
127.0.0.1:6379> xlen streamtest
(integer) 3
127.0.0.1:6379> xdel streamtest 1679980604367-0
(integer) 1
127.0.0.1:6379> xlen streamtest
(integer) 2



消费者组

单消费者

stream中一般是以消费者组进行消费，但我们也可以使用单消费者，

Redis 设计了一个单独的消费指令xread，可以将 Stream 当成普通的消息队列 (list) 来使用。使用 xread 时，我们可以完全忽略消费组 (Consumer Group) 的存在，就好比 Stream 就是一个普通的列表 (list)。

# 可以使用0-0表示从头开始读取消息
# 最后一个参数消息id是一个开区间(n,+∞)，也就是说不会读取到指定消息id的这条消息
# xread count 读取消息数量 streams stream名字 从哪条消息id开始读
xread count 1 streams streamName 0-0

也可以使用$从尾开始读取，也就是当前时间之前发送的消息都不会读取到

xread count 1 streams streamName $

但是这条命名默认是不返回任何消息的，需要使用阻塞的方式读取

# block后面的数字代表阻塞时间，单位毫秒
xread count 1 block 0 streams streamName $

如下所示

# 直接从尾部读取没有数据返回
127.0.0.1:6379> xread count 1 streams streamtest $
(nil)


# 加上阻塞读取后，重新打开一个会话往steam中新加一条消息，然后这边就有返回了，最后返回的时间是阻塞了多久
127.0.0.1:6379> xread count 1 block 0 streams streamtest $
1) 1) "streamtest"
   2) 1) 1) "1679983057656-0"
         2) 1) "name"
            2) "wangwu"
            3) "age"
            4) "111"
(40.16s)
127.0.0.1:6379> 

# 如果阻塞时间不写0   那么等到指定的阻塞时间一到就结束了
127.0.0.1:6379> xread count 1 block 1000 streams streamtest $
(nil)
(1.07s)
127.0.0.1:6379>

这种单消费者方式不会有消费消息的offset偏移量，想要实现顺序消费消息，那么就需要自己维护消息id，记录当前已经消费到哪一个id了



消费者组group

消费者组中有一个last_delivered_id记录当前消费到那一条消息了，在创建消费者组时就需要传递一个消息id作为last_delivered_id的值

# 创建一个消费者组,0-0表示从头开始消费，
# xgroup create 要消费的stream名 消费者组名  从哪一个消息id开始消费
xgroup create streamtest hs-group 0-0

# 也可以加$表示从尾部开始消费，当前时间之前发送的消息都不会被消费
xgroup create hs-group streamtest $

可以使用xinfo stream stream名字命令来查看stream的情况

# 目前streamtest中有三条消息
127.0.0.1:6379> xrange streamtest - +
1) 1) "1679980624235-0"
   2) 1) "name"
      2) "zhangsan"
      3) "age"
      4) "24"
2) 1) "1679980635354-0"
   2) 1) "name"
      2) "lisi"
      3) "age"
      4) "18"
3) 1) "1679983057656-0"
   2) 1) "name"
      2) "wangwu"
      3) "age"
      4) "111"
     
     
     
127.0.0.1:6379> xinfo stream streamtest
 1) "length"
 2) (integer) 3				# 消息的数据量
 3) "radix-tree-keys"
 4) (integer) 1
 5) "radix-tree-nodes"
 6) (integer) 2
 7) "groups"
 8) (integer) 1				# 1个消费组
 9) "last-generated-id"
10) "1679983057656-0"		# 最后一条消息的消息id
11) "first-entry"
12) 1) "1679980624235-0"	# 第一条消息与最后一条消息
    2) 1) "name"
       2) "zhangsan"
       3) "age"
       4) "24"
13) "last-entry"
14) 1) "1679983057656-0"
    2) 1) "name"
       2) "wangwu"
       3) "age"
       4) "111"

也可以使用xinfo groups stream名来查看消费者组情况

127.0.0.1:6379> xinfo groups streamtest
1) 1) "name"
   2) "hs-group"		# 消费者组名
   3) "consumers"
   4) (integer) 0		# 消费者组中目前还没有消费者
   5) "pending"
   6) (integer) 0		# 有多少条消息为ack应答
   7) "last-delivered-id"	# 从哪条消息开始消费，也就是消费消息的offset
   8) "0-0"



消费者

有了消费组，自然还需要消费者，Stream 提供了 xreadgroup 指令可以进行消费组的组内消费，需要提供消费组名称、消费者名称和起始消息 ID。

它同 xread 一样，也可以阻塞等待新消息。读到新消息后，对应的消息 ID 就会进入消费者的PEL(正在处理的消息) 结构里，客户端处理完毕后使用 xack 指令通知服务器，本条消息已经处理完毕，该消息 ID 就会从 PEL 中移除。

# 最后的> 表示从当前消费组的 last_delivered_id 后面开始读，每当消费者读取一条消息，last_delivered_id 变量就会前进
# xreadgroup GROUP 消费者组名 消费者名 count 消费消息数量 streams stream名 >
xreadgroup GROUP hs-group c1 count 1 streams streamtest >

开始读取消息

127.0.0.1:6379> xreadgroup GROUP hs-group c1 count 1 streams streamtest >
1) 1) "streamtest"
   2) 1) 1) "1679980624235-0"
         2) 1) "name"
            2) "zhangsan"
            3) "age"
            4) "24"
127.0.0.1:6379> xreadgroup GROUP hs-group c1 count 1 streams streamtest >
1) 1) "streamtest"
   2) 1) 1) "1679980635354-0"
         2) 1) "name"
            2) "lisi"
            3) "age"
            4) "18"
127.0.0.1:6379> xreadgroup GROUP hs-group c1 count 1 streams streamtest >
1) 1) "streamtest"
   2) 1) 1) "1679983057656-0"
         2) 1) "name"
            2) "wangwu"
            3) "age"
            4) "111"
            
# 三条消息读完后就没有了
127.0.0.1:6379> xreadgroup GROUP hs-group c1 count 1 streams streamtest >
(nil)

# 接下来加上 block 0   尝试阻塞读取消息，当其他会话执行xadd命令后这边就能读取到数据了
127.0.0.1:6379> xreadgroup GROUP hs-group c1   count 1 streams streamtest >
1) 1) "streamtest"
   2) 1) 1) "1679985519302-0"
         2) 1) "name"
            2) "zhaoliu"
            3) "age"
            4) "123"
(11.90s)
127.0.0.1:6379>

还可以通过xinfo consumers stream名字 消费者组名来查看消费者组中消费者的信息

127.0.0.1:6379> xinfo consumers streamtest hs-group
1) 1) "name"
   2) "c1"				# 消费者名
   3) "pending"
   4) (integer) 4		# 当前有多少条消息未ack应答
   5) "idle"
   6) (integer) 199097		# 空闲了199097ms没有读取消息

ack应答

# xack streamtest 消费者组名 消息id [消息id...]
127.0.0.1:6379> xack streamtest hs-group 1679980624235-0
(integer) 1

# 现在再查看当前消费者组就只用3条消息未查看应答了
127.0.0.1:6379> xinfo consumers streamtest hs-group
1) 1) "name"
   2) "c1"
   3) "pending"
   4) (integer) 3
   5) "idle"
   6) (integer) 351981
   
127.0.0.1:6379> xinfo groups streamtest
1) 1) "name"
   2) "hs-group"
   3) "consumers"
   4) (integer) 1
   5) "pending"
   6) (integer) 3
   7) "last-delivered-id"
   8) "1679985519302-0"



Redis队列几种实现

  • 基于List的lpush + brpop

    需要处理空闲连接的问题，如果线程一直阻塞在那里，Redis客户端的连接就成了闲置连接，闲置过久，服务器一般会主动断开连接，减少闲置资源占用，这个时候blpop和brpop或抛出异常，所以在编写客户端消费者的时候要小心，如果捕获到异常需要重试。

  • 基于Sorted-Set的实现

    多用来实现延迟队列，当然也可以实现有序的普通的消息队列，但是消费者无法阻塞的获取消息，只能轮询，不允许重复消息。

  • PUB/SUB，订阅/发布模式

    优点：

    典型的广播模式，一个消息可以发布到多个消费者；多信道订阅，消费者可以同时订阅多个信道，从而接收多类消息；消息即时发送，消息不用等待消费者读取，消费者会自动接收到信道发布的消息。

    缺点：

    消息一旦发布，不能接收。换句话就是发布时若客户端不在线，则消息丢失，不能寻回；

  • 基于Stream类型的实现

    基本上已经有了一个消息中间件的雏形



Redis的IO模型

Reactor模型

这里首先介绍一下Reactor模式

具体事件处理程序不调用反应器，而向反应器注册一个事件处理器，表示自己对某些事件感兴趣，有事件来了，具体事件处理程序通过事件处理器对某个指定的事件发生做出反应；


单线程Reactor模式

客户端与服务端通信一般是下面几个步骤：建立连接、服务器读取数据、解码、计算处理、编码、响应给客户端

这种模式下所有的事情都是一个Reactor线程来做

Redis Stream队列与多线程模型


单线程Reactor，工作者线程池

将非I/O操作从Reactor线程中移出转交给工作者线程池来执行，Reactor线程仅仅去处理客户端连接、读取、响应。而具体的处理交给多个工作线程去做

Redis Stream队列与多线程模型


多Reactor线程模式

如果客户端的连接非常多，一个reactor线程也忙不过来时，那么这一块也可以使用多线程，一个主reactor线程去处理客户端的连接，子reactor线程处理读取和响应，工作线程处理业务操作

Redis Stream队列与多线程模型



Redis的IO模型

Redis 基于 Reactor 模式开发了自己的网络事件处理器 - 文件事件处理器（file event handler，后文简称为 FEH），而该处理器又是单线程的，所以redis设计为单线程模型。

多路复用、文件事件分派、文件事件处理都是一个线程。

这里的socket可以理解为就是一个redis客户端

采用I/O多路复用同时监听多个socket，根据socket当前执行的事件来为 socket 选择对应的文件事件处理器。

当被监听的socket准备好执行accept、read、write、close等操作时，和操作对应的文件事件就会产生，这时FEH就会调用socket之前关联好的事件处理器来处理对应事件。

Redis Stream队列与多线程模型


socket

文件事件就是对socket操作的抽象， 每当一个 socket 准备好执行连接accept、read、write、close等操作时， 就会产生一个文件事件。一个服务器通常会连接多个socket， 多个socket可能并发产生不同操作，每个操作对应不同文件事件。


I/O多路复用程序

I/O 多路复用程序会负责监听多个socket。

尽管文件事件可能并发出现， 但 I/O 多路复用程序会将所有产生事件的socket放入队列， 通过该队列以有序、同步且每次一个socket的方式向文件事件分派器传送socket。

当上一个socket产生的事件被对应事件处理器执行完后， I/O 多路复用程序才会向文件事件分派器传送下个socket， 如下：

​ Redis Stream队列与多线程模型


文件事件分派器

文件事件分派器接收 I/O 多路复用程序传来的socket， 并根据socket产生的事件类型， 调用相应的事件处理器。


文件事件处理器

服务器会为执行不同任务的套接字关联不同的事件处理器， 这些处理器是一个个函数， 它们定义了某个事件发生时， 服务器应该执行的动作。


文件事件的类型

I/O 多路复用程序可以监听多个socket的 ae.h/AE_READABLE 事件和 ae.h/AE_WRITABLE 事件， 这两类事件和套接字操作之间的对应关系如下：

当socket可读（比如客户端对Redis执行write/close操作），或有新的可应答的socket出现时（即客户端对Redis执行connect操作），socket就会产生一个AE_READABLE事件。

当socket可写时（比如客户端对Redis执行read操作），socket会产生一个AE_WRITABLE事件。

I/O多路复用程序可以同时监听AE_REABLE和AE_WRITABLE两种事件，要是一个socket同时产生这两种事件，那么文件事件分派器优先处理AE_REABLE事件。即一个socket又可读又可写时， Redis服务器先读后写socket。


总结

最后，让我们梳理一下客户端和Redis服务器通信的整个过程：

  1. Redis启动初始化时，将连接应答处理器跟AE_READABLE事件关联。
  2. 若一个客户端发起连接，会产生一个AE_READABLE事件，然后由连接应答处理器负责和客户端建立连接，创建客户端对应的socket，同时将这个socket的AE_READABLE事件和命令请求处理器关联，使得客户端可以向主服务器发送命令请求。
  3. 当客户端向Redis发请求时（不管读还是写请求），客户端socket都会产生一个AE_READABLE事件，触发命令请求处理器。处理器读取客户端的命令内容， 然后传给相关程序执行。
  4. 当Redis服务器准备好给客户端的响应数据后，会将socket的AE_WRITABLE事件和命令回复处理器关联，当客户端准备好读取响应数据时，会在socket产生一个AE_WRITABLE事件，由对应命令回复处理器处理，即将准备好的响应数据写入socket，供客户端读取。
  5. 命令回复处理器全部写完到 socket 后，就会删除该socket的AE_WRITABLE事件和命令回复处理器的映射。



Redis6中的多线程

  • redis6.0版本之前，一个主线程处理用户的请求，包括读、解析、执行、响应。

    但是还有一些后台线程执行其他操作比如：持久化、bigkey删除等等

    这个时候cpu不是redis的瓶颈，redis的瓶颈是网络和内存的读写，既然不是cpu瓶颈也就没有必要用多线程了，使用现在的多路复用+FEH事件模型也能达到每秒10w的请求

  • redis6.0版本中，处理用户的请求的操作还是一个主线程来执行的，Redis的多线程部分只是用来处理网络数据的读写和协议解析。

    因为用户量越来越大，一些公司的QPS已经超过了每秒10w的请求。执行一次redis命令，大部分的耗时都是在网络数据的读写上面，那么就在这一块用了多线程来进行，而其他操作还是由主线程来做。


Redis6.0多线程的实现机制

流程简述如下：

1、主线程负责接收建立连接请求，获取 socket 放入全局等待读处理队列

2、主线程处理完读事件之后，通过 RR(Round Robin) 将这些连接分配给这些 IO 线程

3、主线程阻塞等待 IO 线程读取 socket 完毕

4、主线程通过单线程的方式执行请求命令，请求数据读取并解析完成，但并不执行回写 socket

5、主线程阻塞等待 IO 线程将数据回写 socket 完毕

6、解除绑定，清空等待队列

该设计有如下特点：

1、IO 线程要么同时在读 socket，要么同时在写，不会同时读或写

2、IO 线程只负责读写 socket 解析命令，不负责命令处理

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