用Java手写Redis服务端，从设计者的角度聊一聊Redis本身

Posted 2023-04-01 司腾

零，起因

我为什么要造redis这个轮子？

  1，破除对redis神秘感。
  2，“基础服务中台”的同事们在开会讨论redis云，以及redis代理。
  3，开一个redis资源并不是容易事，为什么不可以不可以写成java直接推送到未来云上，简单方便。
   以这个思路我开始使用业余时间研究了redis的tcp通讯原理与redis命令，出发点是写一个redis云代理之类的云管理软件，但是还是忍不住写成了java版的redis，本文章主要分享redis的编写心路历程。
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一，redis通讯与Netty

1，tcp

连到Redis服务器的客户端建立了一个到6379端口的TCP连接。

虽然RESP在技术上不特定于TCP，但是在Redis的上下文中，该协议仅用于TCP连接（或类似的面向流的连接，如unix套接字）。

使用netty作为通讯框架。

2，协议

Redis客户端和服务器端通信使用名为 RESP (REdis Serialization Protocol) 的协议。虽然这个协议是专门为Redis设计的，它也可以用在其它 client-server 通信模式的软件上。 RESP 协议在Redis1.2被引入，直到Redis2.0才成为和Redis服务器通信的标准。这个协议需要在你的Redis客户端实现。

RESP 是一个支持多种数据类型的序列化协议：简单字符串（Simple Strings）,错误（ Errors）,整型（ Integers）, 大容量字符串（Bulk Strings）和数组（Arrays）。

RESP在Redis中作为一个请求-响应协议以如下方式使用：

客户端以大容量字符串RESP数组的方式发送命令给服务器端。 服务器端根据命令的具体实现返回某一种RESP数据类型。 在 RESP 中，数据的类型依赖于首字节：

单行字符串（Simple Strings）： 响应的首字节是 "+" 错误（Errors）： 响应的首字节是 "-" 整型（Integers）： 响应的首字节是 ":" 多行字符串（Bulk Strings）： 响应的首字节是"$" 数组（Arrays）： 响应的首字节是 "*" 另外，RESP可以使用大容量字符串或者数组类型的特殊变量表示空值，下面会具体解释。RESP协议的不同部分总是以 "\\r\\n" (CRLF) 结束。 字符串 "foobar" 编码如下:

"$6\\r\\nfoobar\\r\\n"

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实际redis命令是什么样的，比如 SET lhjljh lhjkjhkh

*3\\r\\n$3\\r\\nSET\\r\\n$6\\r\\nlhjljh\\r\\n$8\\r\\nlhjkjhkh
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3，编解码

由于RESP天然是面向处理命令的，所以没办法直接把redis消息像grpc或者dubbo那样直接序列化和反序列化消息。并且每个内容限定了长度，很适合做成及时序列化、零拷贝，直接针对输入流做反序列化和序列化，这一点与Protostuff序列化协议的设计很类似。 所以序列化直接将服务端接收的流直接转成值。 

 编解码的实体类直接加入redis server 的处理某一个长连接tcp客户端的管道上。 

4，命令处理

将消息解码成RESP，还需要将RESP转为Command对象，这里因为是java语言，方法与类绑定，编写上和理解上会更加容易。但是会增加一些开销。 

二，redis 的数据结构

1，底层主结构

底层主树使用跳表ConcurrentSkipListMap实现，没用hash类map的原因是服务端是集群后，客户端可能使用hash路由，会导致服务端严重的hash冲突，性能大打折扣 

 key为封装的“String”，重写了equals方法避免相同的key但是在jvm中指针不同 

 value是一个接口，实现类是redis的五大基本类型，所有数据类型都包含超时时间 

2，key

用封装的值做value的原因是方便统一管理 

3，list

底层使用LinkedList的原因是LinkedList实现了多种接口，实现各种命令直接调用其现成实现的方法即可 

4，set

底层使用HashSet，redis里的set没有多特殊 

5，hash

底层使用HashMap，这里和开头说的HashMap不冲突。为什么不用跳表？压缩列表很巧妙，大抵的意思就是将通信收到的数组直接填充到list中，将list直接按照次序直接当map使用，主要是0拷贝的思想，无需创建新资源，性能极高，但注意压缩列表与压缩无关。

6，zset

首先需要封装一个带有值和分值的对象 

 再用TreeMap重写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二开。 

三，redis AOF 持久化

1，aof线程与tcp线程解耦，即写缓冲

再解析redis命令时，将redis写命令添加到写aof日志的队列中 

 这里自己封装了一个堵塞队列，单线程吞吐量可以达到3000W /s是LinkedBlockingQueue的6到10倍，完全可以胜任此场景 

 RingBlockingQueue吞吐量非常高的原因是使用了内存连续页的机制。 

2，aof持久化协议

aof协议一句话概括就是将写命令，追加到日志中，开始时将命令读取，当作收到网络的命令执行即可。由于协议过于简单，这里就不贴链接了。 aof之日格式如下图： 

3，aof的加载与存储实现

这里读写内存都是用的内存文件映射，好处是读写性能好，坏处是可能会出现内存泄漏，调试期间比较麻烦。 

4，内存文件映射与面向对象

这里存储和加载aof文件的代码都是面向过程的，看起来非常复杂。实际上之前是按照面向对象写的，封装成了行对象，调用落盘符和拾起方法就可以写入和读取aof中的命令，但是TPS仅为10w/s，后来权衡后改为面向过程，吞吐量提升到了100W的TPS以上。

四，redis 的集群特性

1，主从

这里很容易联想到mysql的只从，很多场景下会使用基于mysql主从的读写分离，或者zk的主从。 但实际上redis的主从是不保证一致性的，个人认为redist的主从主要考虑的是cap的分布式容错性。 因为redis主从不保证一致性，所以使用redis读写分离，可能造成一些不一致的问题，写写是一致的，但是读是不一致的，可以根据项目需要做取舍。

2，主从复制

redis的主从复制这里作者没看懂（可能也是一致性上有坑没动力去看），所以没写出来。

3，分片集群

redis集群主要分为几个唯独： 主从、分区集群、代理。 一般在redis客户端的视角下，主要是分区集群，根据发送给redis的key做hash、md5等操作，取一个所有客户端的共识值，将key和value发送，也就是客户端路由分布式软件的集群实现方式京东的redis集群设计到redis具体一个分片。

五，redis 的压测与调优

1，aof内存泄漏

开启aof压测发现出现了内存泄漏，后来发现是频繁新建内存池而造成的，所以将内存池池化，即aof对象中仅存在一个bytebuff内存池。

2，内存复用提升性能

这里编解码没有单独开辟byte数据接收bytebuff的数据进行编解码，编解码直接读取bytebuff进行编解码，没有出现内存拷贝，唯独新建了BytesWrapper对象，但存储的数据都是使用BytesWrapper对象，对内存新建/销毁的开销很少。

3，0.05%消息延迟超200ms排查

下图为c语言版的redis压测数据： 

 下图为java语言版的redis压测数据： 

4，性能表现

redis原版的性能大概是E5系列CPU 4-5w左右，上图中是使用amd芯片测试的数据。 使用redis自带的压测工具，维持100个客户端连接，java版性能是c语言原版性能的75-90%左右，性能依然强悍。