Redis 用的很溜，瞭解過它用的什麼協議嗎？

風的姿態發表於2020-11-24
Redis協議

我是風箏，公眾號「古時的風箏」，一個兼具深度與廣度的程式設計師鼓勵師，一個本打算寫詩卻寫起了程式碼的田園碼農！
文章會收錄在 JavaNewBee 中，更有 Java 後端知識圖譜，從小白到大牛要走的路都在裡面。

有個小夥伴面試回來說面試官問了他一些 Redis 問題，但是他好像沒有回答上來。

我說，你 Redis 不是用的很溜嗎，什麼問題難住你了。

他說，事情是這樣的，剛開始，問了一些基礎的問題，比如 Redis 的幾種基本資料型別和使用場景，以及主從複製和叢集的一些問題，這些都還好。

然後問 Redis 的兩種持久化方式，我說與 RDB 和 AOF 兩種方式，RDB 資料檔案小，恢復速度快，但是對效能有影響，而且不適合實時儲存。而 AOF 是現在最常用的持久化方式，它的一大優點就是實時性，並且對 Redis 半身效能影響最小。

那面試又問了，你知道 AOF 持久化之後的檔案是什麼格式嗎？

答：好像就是文字檔案吧？

好，文字檔案，那你知道它有什麼規則嗎？或者說，它和 Redis 的協議有什麼關係嗎？

答：啊，這個，恩，不太清楚呢。

現在就來看一下 AOF 和 RESP 協議的關係

  1. 從兩種持久化方式說起。
  2. RESP 協議是什麼
  3. 動手實現一個簡單的協議解析命令列工具

先從持久化說起，雖然一提到 Redis，首先想到的就是快取，但是 Redis 不僅僅是快取這麼簡單，它的定位是記憶體型資料庫，可以儲存多種型別的資料結構，還可以當做簡單訊息佇列使用。既然是資料庫，持久化功能是必不可少的。

Redis 的兩種持久化方式

Redis 提供了兩種持久化方式，一種是 RDB 方式，另外一種是 AOF 方式，AOF 是目前比較流行的持久化方案。

RDB 方式

RDB持久化是通過快照的方式，在指定的時間間隔內將記憶體中的資料集快照寫入磁碟。它以一種緊湊壓縮的二進位制檔案的形式出現。可以將快照複製到其他伺服器以建立相同資料的伺服器副本，或者在重啟伺服器後恢復資料。RDB是Redis預設的持久化方式，也是早期版本的必須方案。

RDB 由下面幾個引數控制。

# 設定 dump 的檔名
dbfilename dump.rdb

# 持久化檔案的儲存目錄
dir ./

# 900秒內，如果至少有1個key發生變化，就會自動觸發bgsave命令建立快照
save 900 1

# 300秒內，如果至少有10個key發生變化，就會自動觸發bgsave命令建立快照
save 300 10

# 60秒內，如果至少有10000個key發生變化，就會自動觸發bgsave命令建立快照
save 60 10000

持久化流程

上面說到了配置檔案中的幾個觸發持久化的機制，比如 900 秒、300秒、60秒，當然也可以手動執行命令 save或bgsave進行觸發。bgsave是非阻塞版本，通過 fork 出子程式的方式來進行快照生成，而 save會阻塞主程式，不建議使用。

1、首先 bgsave命令觸發；

2、父程式 fork 出一個子程式，這一步是比較重量級的操作，也是 RDB 方式效能不及 AOF 的一個重要原因；

3、父程式 fork 出子程式後就可以正常的相應客戶端發來的其他命令了；

4、子程式開始進行持久化工作，對現有資料進行完整的快照儲存；

5、子程式完成操作後，通知父程式；

RDB的優點:

  • RDB是一個緊湊壓縮的二進位制檔案，代表Redis在某個時間點上的資料 快照。非常適用於備份，全量複製等場景。比如每6小時執行bgsave備份， 並把RDB檔案拷貝到遠端機器或者檔案系統中(如hdfs)，用於災難恢復。

  • Redis載入RDB恢復資料遠遠快於AOF的方式。

RDB的缺點:

  • RDB方式資料沒辦法做到實時持久化/秒級持久化。因為bgsave每次運 行都要執行fork操作建立子程式，屬於重量級操作，頻繁執行成本過高。

  • RDB檔案使用特定二進位制格式儲存，Redis版本演進過程中有多個格式 的RDB版本，存在老版本Redis服務無法相容新版RDB格式的問題。

AOF 方式

AOF 由下面幾個引數控制。

# appendonly引數開啟AOF持久化
appendonly yes

# AOF持久化的檔名，預設是appendonly.aof
appendfilename "appendonly.aof"

# AOF檔案的儲存位置和RDB檔案的位置相同，都是通過dir引數設定的
dir ./

# 同步策略
# appendfsync always
appendfsync everysec
# appendfsync no

# aof重寫期間是否同步
no-appendfsync-on-rewrite no

# 重寫觸發配置
auto-aof-rewrite-percentage 100
auto-aof-rewrite-min-size 64mb

# 載入aof出錯如何處理
aof-load-truncated yes

# 檔案重寫策略
aof-rewrite-incremental-fsync yes

針對RDB不適合實時持久化的問題，Redis提供了AOF 持久化方式來解決，AOF 也是目前最流程的持久化方式。

AOF（append only file），以獨立日誌的方式記錄每次寫命令， 重啟時再重新執行AOF檔案中的命令達到恢復資料的目的。

1、所有的寫入命令會追加到aof_buf(緩衝區)中；

2、AOF緩衝區根據對應的策略向硬碟做同步操作；

3、隨著AOF檔案越來越大，需要定期對AOF檔案進行重寫，達到壓縮的目的；

4、當Redis伺服器重啟時，可以載入AOF檔案進行資料恢復；

AOF 檔案裡存的是什麼

我在本地的測試 redis 環境中隨便刷了幾條命令，然後開啟 appendonly.aof 檔案檢視，發現裡面的內容像下面這樣子。

RESP 協議

Redis客戶端與服務端通訊，使用 RESP 協議通訊，該協議是專門為 Redis 設計的通訊協議，但也可以用於其它客戶端-伺服器通訊的場景。

RESP 協議有如下幾個特點：

  • 實現簡單；

  • 快速解析；

  • 可閱讀；

客戶端傳送命令給服務端，服務端拿到命令後進行解析，然後執行對應的邏輯，之後返回給客戶端，當然了，這一發一回復都是用的 RESP 協議特點的格式。

一般情況下我們會使用 redis-cli或者一些客戶端工具連線 Redis 服務端。

./redis-cli

然後整個互動過程的命令傳送和返回結果像下面這樣，綠色部分為傳送的命令，紅色部分為返回的結果。

這就是我們再熟悉不過的部分了。但是，這並不能看出 RESP 協議的真實面貌。

用 telnet 試試

RESP 是基於 TCP 協議實現的，所以除了用各種客戶端工具以及 Redis 提供的 redis-cli工具，還可以用 telnet 檢視，用 telnet 就可以看出 RESP 返回的原始資料格式了。

我本地的 Redis 是用的預設 6379 埠，並且沒有設定 requirepass ，我們來試一下用 telnet 連線。

telnet 127.0.0.1 6379

然後執行與前面相同的幾條命令，傳送和返回的結果如下，綠色部分為傳送的命令，紅色為返回的結果。

怎麼樣，有些命令的返回還好，但是像get str:hello這條，返回的結果除了 world值本身，上面還多了一行 $5，是不是有點迷糊了。

協議規則

請求命令

一條客戶端發往伺服器的命令的規則如下：

*<引數數量> CR LF
$<引數 1 的位元組數量> CR LF
<引數 1 的資料> CR LF
...
$<引數 N 的位元組數量> CR LF
<引數 N 的資料> CR LF

RESP 用\r\n作為分隔符，會表明此條命令的具體引數個數，在命令上看來，空格分隔的都表示一個引數，例如 set str:hello world 這條命令就是3個引數，會表明每個引數的字元數和具體內容。

用這條命令舉例，對應到 RESP 協議規則上就會變成下面這個樣子：

*3\r\n$3\r\nset\r\n$9str:hello\r\n$5world\r\n

服務端回覆

Redis 命令會返回多種不同型別的回覆。

通過檢查伺服器發回資料的第一個位元組， 可以確定這個回覆是什麼型別：

1、狀態回覆（status reply）的第一個位元組是 "+"

比如 ping命令的回覆，+PONG\r\n

2、錯誤回覆（error reply）的第一個位元組是 "-"

比如輸入一個 redis 中不存在的命令，或者給某些命令設定錯誤的引數，例如輸入 auth，auth 命令後面需要有一個密碼引數的，如果不輸入就會返回錯誤回覆型別。

-ERR wrong number of arguments for 'auth' command\r\n

3、整數回覆（integer reply）的第一個位元組是 ":"

例如 INCR、DECR 自增自減命令，返回的結果是這樣的 :2\r\n

4、批量回復（bulk reply）的第一個位元組是 "$"

例如對 string 型別執行 get 操作，$5\r\nworld\r\n，$後面的數字 5 表示返回的結果有 5 個字元，後面是返回結果的實際內容。

5、多條批量回復（multi bulk reply）的第一個位元組是 "*"

例如 LRANGE key start stop或者 hgetall等返回多條結果的命令，比如 lrange命令返回的結果：

*2\r\n$6\r\nnews-2\r\n$6\r\nnews-1\r\n

多條批量回復和前面說的客戶端傳送命令的格式是一致的。

實現一個簡單的 Redis 互動工具

瞭解了 Redis 的協議規則，我們就可以自己寫一個簡單的客戶端了。當然，通過官網我們可以看到已經有各種語言，而且每種語言有不止一個客戶端工具了。

比如 Java 語言的客戶端就有這麼多種，其中 Jedis 應該是用的最多了，既然已經有這麼好用的輪子了，當然沒必要重複造輪子，主要還是為了加深印象。

RESP 協議基於 TCP 協議，可以使用 socket 方式進行連線。

public Socket createSocket() throws IOException {
  Socket socket = null;
  try {
    socket = new Socket();
    socket.setReuseAddress(true);
    socket.setKeepAlive(true);
    socket.setTcpNoDelay(true);
    socket.setSoLinger(true, 0);

    socket.connect(new InetSocketAddress(host, port), DEFAULT_TIMEOUT);
    socket.setSoTimeout(DEFAULT_TIMEOUT);
    outputStream = socket.getOutputStream();
    inputStream = socket.getInputStream();
    return socket;
  } catch (Exception ex) {
    if (socket != null) {
      socket.close();
    }
    throw ex;
  }
}

然後剩下的就是對返回的結果進行字串的解析了，我做的工具就到簡陋的到這一步了，下面是一些簡單命令的返回輸出。

程式碼已放到 github 上，有興趣的可以 clone 下來看一下。

https://github.com/huzhicheng/medis

這位英俊瀟灑的少年，如果覺得還不錯的話，給個推薦可好！

公眾號「古時的風箏」，Java 開發者，全棧工程師，bug 殺手，擅長解決問題。
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