使用 Java 手寫一個(gè) Redis 服務(wù)端！
零，起因
我為什么要造redis這個(gè)輪子？
破除對redis神秘感。 “基礎(chǔ)服務(wù)中臺”的同事們在開會討論redis云，以及redis代理。 開一個(gè)redis資源并不是容易事，為什么不可以不可以寫成java直接推送到未來云上，簡單方便。
以這個(gè)思路我開始使用業(yè)余時(shí)間研究了redis的tcp通訊原理與redis命令，出發(fā)點(diǎn)是寫一個(gè)redis云代理之類的云管理軟件，但是還是忍不住寫成了java版的redis，本文章主要分享redis的編寫心路歷程。
一，redis通訊與Netty
1，tcp
連到Redis服務(wù)器的客戶端建立了一個(gè)到6379端口的TCP連接。
雖然RESP在技術(shù)上不特定于TCP，但是在Redis的上下文中，該協(xié)議僅用于TCP連接（或類似的面向流的連接，如unix套接字）。
使用netty作為通訊框架。
2，協(xié)議
Redis客戶端和服務(wù)器端通信使用名為 RESP (REdis Serialization Protocol) 的協(xié)議。雖然這個(gè)協(xié)議是專門為Redis設(shè)計(jì)的，它也可以用在其它 client-server 通信模式的軟件上。RESP 協(xié)議在Redis1.2被引入，直到Redis2.0才成為和Redis服務(wù)器通信的標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)協(xié)議需要在你的Redis客戶端實(shí)現(xiàn)。
RESP 是一個(gè)支持多種數(shù)據(jù)類型的序列化協(xié)議：簡單字符串（Simple Strings）,錯(cuò)誤（ Errors）,整型（ Integers）, 大容量字符串（Bulk Strings）和數(shù)組（Arrays）。
RESP在Redis中作為一個(gè)請求-響應(yīng)協(xié)議以如下方式使用：
客戶端以大容量字符串RESP數(shù)組的方式發(fā)送命令給服務(wù)器端。服務(wù)器端根據(jù)命令的具體實(shí)現(xiàn)返回某一種RESP數(shù)據(jù)類型。在 RESP 中，數(shù)據(jù)的類型依賴于首字節(jié)：
單行字符串（Simple Strings）：響應(yīng)的首字節(jié)是 "+" 錯(cuò)誤（Errors）：響應(yīng)的首字節(jié)是 "-" 整型（Integers）：響應(yīng)的首字節(jié)是 ":" 多行字符串（Bulk Strings）：響應(yīng)的首字節(jié)是"$" 數(shù)組（Arrays）：響應(yīng)的首字節(jié)是 "*" 另外，RESP可以使用大容量字符串或者數(shù)組類型的特殊變量表示空值，下面會具體解釋。RESP協(xié)議的不同部分總是以 "\r\n" (CRLF) 結(jié)束。字符串 "foobar" 編碼如下:
"$6\r\nfoobar\r\n"
實(shí)際redis命令是什么樣的，比如SET lhjljh lhjkjhkh
*3\r\n$3\r\nSET\r\n$6\r\nlhjljh\r\n$8\r\nlhjkjhkh
RESP協(xié)議中文詳情文檔：https://www.redis.com.cn/topics/protocol.html。
3，編解碼
由于RESP天然是面向處理命令的，所以沒辦法直接把redis消息像grpc或者dubbo那樣直接序列化和反序列化消息。并且每個(gè)內(nèi)容限定了長度，很適合做成及時(shí)序列化、零拷貝，直接針對輸入流做反序列化和序列化，這一點(diǎn)與Protostuff序列化協(xié)議的設(shè)計(jì)很類似。所以序列化直接將服務(wù)端接收的流直接轉(zhuǎn)成值。
編解碼的實(shí)體類直接加入redis server 的處理某一個(gè)長連接tcp客戶端的管道上。
如果有興趣研究可以看c語言原版的源碼分析。
4，命令處理
將消息解碼成RESP，還需要將RESP轉(zhuǎn)為Command對象，這里因?yàn)槭莏ava語言，方法與類綁定，編寫上和理解上會更加容易。但是會增加一些開銷。
二，redis 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
1，底層主結(jié)構(gòu)
底層主樹使用跳表ConcurrentSkipListMap實(shí)現(xiàn)，沒用hash類map的原因是服務(wù)端是集群后，客戶端可能使用hash路由，會導(dǎo)致服務(wù)端嚴(yán)重的hash沖突，性能大打折扣。
key為封裝的“String”，重寫了equals方法避免相同的key但是在jvm中指針不同
value是一個(gè)接口，實(shí)現(xiàn)類是redis的五大基本類型，所有數(shù)據(jù)類型都包含超時(shí)時(shí)間
2，key
用封裝的值做value的原因是方便統(tǒng)一管理。
3，list
底層使用LinkedList的原因是LinkedList實(shí)現(xiàn)了多種接口，實(shí)現(xiàn)各種命令直接調(diào)用其現(xiàn)成實(shí)現(xiàn)的方法即可
4，set
底層使用HashSet，redis里的set沒有多特殊
5，hash
底層使用HashMap，這里和開頭說的HashMap不沖突。為什么不用跳表？壓縮列表很巧妙，大抵的意思就是將通信收到的數(shù)組直接填充到list中，將list直接按照次序直接當(dāng)map使用，主要是0拷貝的思想，無需創(chuàng)建新資源，性能極高，但注意壓縮列表與壓縮無關(guān)。感興趣可以查看 redis 壓縮列表。
6，zset
首先需要封裝一個(gè)帶有值和分值的對象
再用TreeMap重寫compare方法即可，使用TreeMap原因是他天然有良好的排序功能，很多hash一致路由的算法都用的TreeMap二開。
三，redis AOF 持久化
1，aof線程與tcp線程解耦，即寫緩沖
再解析redis命令時(shí)，將redis寫命令添加到寫aof日志的隊(duì)列中
這里自己封裝了一個(gè)堵塞隊(duì)列，單線程吞吐量可以達(dá)到3000W /s是LinkedBlockingQueue的6到10倍，完全可以勝任此場景
RingBlockingQueue吞吐量非常高的原因是使用了內(nèi)存連續(xù)頁的機(jī)制。
c語言原版的實(shí)現(xiàn)：redis原版的aof緩沖實(shí)現(xiàn)http://bbs.redis.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=573&highlight=aof
2，aof持久化協(xié)議
aof協(xié)議一句話概括就是將寫命令，追加到日志中，開始時(shí)將命令讀取，當(dāng)作收到網(wǎng)絡(luò)的命令執(zhí)行即可。由于協(xié)議過于簡單，這里就不貼鏈接了。
aof之日格式如下圖：
3，aof的加載與存儲實(shí)現(xiàn)
這里讀寫內(nèi)存都是用的內(nèi)存文件映射，好處是讀寫性能好，壞處是可能會出現(xiàn)內(nèi)存泄漏，調(diào)試期間比較麻煩。
4，內(nèi)存文件映射與面向?qū)ο?/span>
這里存儲和加載aof文件的代碼都是面向過程的，看起來非常復(fù)雜。實(shí)際上之前是按照面向?qū)ο髮懙?，封裝成了行對象，調(diào)用落盤符和拾起方法就可以寫入和讀取aof中的命令，但是TPS僅為10w/s，后來權(quán)衡后改為面向過程，吞吐量提升到了100W的TPS以上。
四，redis 的集群特性
1，主從
這里很容易聯(lián)想到mysql的只從，很多場景下會使用基于mysql主從的讀寫分離，或者zk的主從。但實(shí)際上redis的主從是不保證一致性的，個(gè)人認(rèn)為redist的主從主要考慮的是cap的分布式容錯(cuò)性。因?yàn)閞edis主從不保證一致性，所以使用redis讀寫分離，可能造成一些不一致的問題，寫寫是一致的，但是讀是不一致的，可以根據(jù)項(xiàng)目需要做取舍。
2，主從復(fù)制
redis的主從復(fù)制這里作者沒看懂（可能也是一致性上有坑沒動力去看），所以沒寫出來。
3，分片集群
redis集群主要分為幾個(gè)唯獨(dú)：主從、分區(qū)集群、代理。一般在redis客戶端的視角下，主要是分區(qū)集群，根據(jù)發(fā)送給redis的key做hash、md5等操作，取一個(gè)所有客戶端的共識值，將key和value發(fā)送，也就是客戶端路由分布式軟件的集群實(shí)現(xiàn)方式https://zhuanlan.zhihu.com/p/368407754，京東的redis集群設(shè)計(jì)https://zhuanlan.zhihu.com/p/424053018 到redis具體一個(gè)分片。
五，redis 的壓測與調(diào)優(yōu)
1，aof內(nèi)存泄漏
開啟aof壓測發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了內(nèi)存泄漏，后來發(fā)現(xiàn)是頻繁新建內(nèi)存池而造成的，所以將內(nèi)存池池化，即aof對象中僅存在一個(gè)bytebuff內(nèi)存池。
2，內(nèi)存復(fù)用提升性能
這里編解碼沒有單獨(dú)開辟byte數(shù)據(jù)接收bytebuff的數(shù)據(jù)進(jìn)行編解碼，編解碼直接讀取bytebuff進(jìn)行編解碼，沒有出現(xiàn)內(nèi)存拷貝，唯獨(dú)新建了BytesWrapper對象，但存儲的數(shù)據(jù)都是使用BytesWrapper對象，對內(nèi)存新建/銷毀的開銷很少。
3，0.05%消息延遲超200ms排查
下圖為c語言版的redis壓測數(shù)據(jù)：
下圖為java語言版的redis壓測數(shù)據(jù)：
發(fā)現(xiàn)java版的redis會出現(xiàn)小概率消息延遲，為什么那？
4，性能表現(xiàn)
redis原版的性能大概是E5系列CPU 4-5w左右，上圖中是使用amd芯片測試的數(shù)據(jù)。使用redis自帶的壓測工具，維持100個(gè)客戶端連接，java版性能是c語言原版性能的75-90%左右，性能依然強(qiáng)悍。
源碼
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