Redis 通讯协议分析

原创
2018/01/15 21:08
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简介

Redis本质上是一个Key-Value类型的内存数据库,很像memcached,整个数据库统统加载在内存当中进行操作,定期通过异步操作把数据库数据flush到硬盘上进行保存。Redis的性能非常出色,每秒可以处理超过 10万次读写操作,是已知性能最快的Key-Value DB。

Redis的出色之处不仅仅是性能,Redis最大的魅力是支持保存多种数据结构,此外单个value的最大限制是1GB,不像 memcached只能保存1MB的数据,因此Redis可以用来实现很多有用的功能,比方说用他的List来做FIFO双向链表,实现一个轻量级的高性 能消息队列服务,用他的Set可以做高性能的tag系统等等。另外Redis也可以对存入的Key-Value设置expire时间,因此也可以被当作一 个功能加强版的memcached来用。

Redis利用队列技术将并发访问变为串行访问,消除了传统数据库串行控制的开销。


Redis的主要缺点是数据库容量受到物理内存的限制,不能用作海量数据的高性能读写,因此Redis适合的场景主要局限在较小数据量的高性能操作和运算上。

 

Redis支持五种数据类型:string(字符串),hash(哈希),list(列表),set(集合)及zset(sorted set:有序集合)。

 

Redis 通讯协议

Redis 协议在以下三个目标之间进行折中:

  • 易于实现
  • 可以高效地被计算机分析(parse)
  • 可以很容易地被人类读懂

①协议说明

客户端和服务器通过 TCP 连接来进行数据交互, 服务器默认的端口号为 6379 。客户端和服务器发送的命令或数据一律以 \r\n (CRLF)结尾。Redis 服务器接受命令以及命令的参数。服务器会在接到命令之后,对命令进行处理,并将命令的回复传送回客户端。在这个协议中, 所有发送至 Redis 服务器的参数都是二进制安全(binary safe)的。

②协议模板

*<参数数量> CR LF
$<参数 1 的字节数量> CR LF
<参数 1 的数据> CR LF
...
$<参数 N 的字节数量> CR LF
<参数 N 的数据> CR LF

译注:命令本身也作为协议的其中一个参数来发送

*3
$3
SET
$5
mykey
$7
myvalue

这个命令的实际协议值如下:

"*3\r\n$3\r\nSET\r\n$5\r\nmykey\r\n$7\r\nmyvalue\r\n"

稍后我们会看到, 这种格式除了用作命令请求协议之外, 也用在命令的回复协议中: 这种只有一个参数的回复格式被称为批量回复(Bulk Reply)

统一协议请求原本是用在回复协议中, 用于将列表的多个项返回给客户端的, 这种回复格式被称为多条批量回复(Multi Bulk Reply)

一个多条批量回复以 *<argc>\r\n 为前缀, 后跟多条不同的批量回复, 其中 argc 为这些批量回复的数量。

②回复协议

Redis 命令会返回多种不同类型的回复。

通过检查服务器发回数据的第一个字节, 可以确定这个回复是什么类型:

  • 状态回复(status reply)的第一个字节是 "+"
  • 错误回复(error reply)的第一个字节是 "-"
  • 整数回复(integer reply)的第一个字节是 ":"
  • 批量回复(bulk reply)的第一个字节是 "$"
  • 多条批量回复(multi bulk reply)的第一个字节是 "*"

服务器使用批量回复来返回二进制安全的字符串,字符串的最大长度为 512 MB 。

客户端:GET mykey
服务器:foobar

服务器发送的内容中:

  • 第一字节为 "$" 符号
  • 接下来跟着的是表示实际回复长度的数字值
  • 之后跟着一个 CRLF
  • 再后面跟着的是实际回复数据
  • 最末尾是另一个 CRLF

对于前面的 GET 命令,服务器实际发送的内容为:

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

如果被请求的值不存在, 那么批量回复会将特殊值 -1 用作回复的长度值, 就像这样:

客户端:GET non-existing-key
服务器:$-1

这种回复称为空批量回复(NULL Bulk Reply)。

当请求对象不存在时,客户端应该返回空对象,而不是空字符串: 比如 Ruby 库应该返回 nil , 而 C 库应该返回 NULL (或者在回复对象中设置一个特殊标志), 诸如此类。

像 LRANGE 这样的命令需要返回多个值, 这一目标可以通过多条批量回复来完成。

多条批量回复是由多个回复组成的数组, 数组中的每个元素都可以是任意类型的回复, 包括多条批量回复本身。

多条批量回复的第一个字节为 "*" , 后跟一个字符串表示的整数值, 这个值记录了多条批量回复所包含的回复数量, 再后面是一个 CRLF 。

客户端: LRANGE mylist 0 3
服务器: *4
服务器: $3
服务器: foo
服务器: $3
服务器: bar
服务器: $5
服务器: Hello
服务器: $5
服务器: World

在上面的示例中,服务器发送的所有字符串都由 CRLF 结尾。

正如你所见到的那样, 多条批量回复所使用的格式, 和客户端发送命令时使用的统一请求协议的格式一模一样。 它们之间的唯一区别是:

  • 统一请求协议只发送批量回复。
  • 而服务器应答命令时所发送的多条批量回复,则可以包含任意类型的回复。

以下例子展示了一个多条批量回复, 回复中包含四个整数值, 以及一个二进制安全字符串:

*5\r\n
:1\r\n
:2\r\n
:3\r\n
:4\r\n
$6\r\n
foobar\r\n

在回复的第一行, 服务器发送 *5\r\n , 表示这个多条批量回复包含 5 条回复, 再后面跟着的则是 5 条回复的正文。

多条批量回复也可以是空白的(empty), 就像这样:

客户端: LRANGE nokey 0 1
服务器: *0\r\n

无内容的多条批量回复(null multi bulk reply)也是存在的, 比如当 BLPOP 命令的阻塞时间超过最大时限时, 它就返回一个无内容的多条批量回复, 这个回复的计数值为 -1 :

客户端: BLPOP key 1
服务器: *-1\r\n

客户端库应该区别对待空白多条回复和无内容多条回复: 当 Redis 返回一个无内容多条回复时, 客户端库应该返回一个 null 对象, 而不是一个空数组。

 

参考

redis面试总结

redis用法详解

 

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