Redis 通过 PUBLISH、 SUBSCRIBE 和 PSUBSCRIBE 等命令实现发布和订阅功能。
这些命令被广泛用于构建即时通信应用，比如网络聊天室(chatroom)和实时广播、实时提醒等。
本文通过分析 Redis 源码里的 pubsub.c 文件，了解发布和订阅机制的底层实现，籍此加深对 Redis 的理解。
订阅、发布和退订
在开始研究源码之前，不妨先来回顾一下几个相关命令的使用方式。
PUBLISH 命令用于向给定的频道发送信息，返回值为接收到信息的订阅者数量：
| redis> PUBLISH treehole "top secret here ..." (integer) 0 redis> PUBLISH chatroom "hi?" (integer) 1 |
SUBSCRIBE 命令订阅给定的一个或多个频道：
| redis> SUBSCRIBE chatroom Reading messages... (press Ctrl-C to quit) 1) "subscribe" # 订阅反馈 2) "chatroom" # 订阅的频道 3) (integer) 1 # 目前客户端已订阅频道/模式的数量 1) "message" # 信息 2) "chatroom" # 发送信息的频道 3) "hi?" # 信息内容 |
SUBSCRIBE 的返回值当中， 1) 为 subscribe 的是订阅的反馈信息，而 1) 为 message 的则是订阅的频道所发送的信息。
SUBSCRIBE 还可以订阅多个频道，这样一来它接收到的信息就可能来自多个频道：
| redis> SUBSCRIBE chatroom talk-to-jack Reading messages... (press Ctrl-C to quit) 1) "subscribe" # 订阅 chatroom 的反馈 2) "chatroom" 3) (integer) 1 1) "subscribe" # 订阅 talk-to-jack 的反馈 2) "talk-to-jack" 3) (integer) 2 1) "message" # 来自 chatroom 的消息 2) "chatroom" 3) "yahoo" 1) "message" # 来自 talk-to-peter 的消息 2) "talk-to-jack" 3) "Goodmorning, peter." |
PSUBSCRIBE 提供了一种订阅符合给定模式的所有频道的方法，比如说，使用 it.* 为输入，就可以订阅所有以 it. 开头的频道，比如 it.news 、 it.blog 、 it.tweets ，诸如此类：
| redis> PSUBSCRIBE it.* Reading messages... (press Ctrl-C to quit) 1) "psubscribe" 2) "it.*" 3) (integer) 1 1) "pmessage" 2) "it.*" # 匹配的模式 3) "it.news" # 消息的来源频道 4) "Redis 2.6rc5 release" # 消息内容 1) "pmessage" 2) "it.*" 3) "it.blog" 4) "Why NoSQL matters" 1) "pmessage" 2) "it.*" 3) "it.tweet" 4) "@redis: when will the 2.6 stable release?" |
当然， PSUBSCRIBE 也可以接受多个参数，从而匹配多种模式。
最后， UNSUBSCRIBE 命令和 PUNSUBSCRIBE 负责退订给定的频道或模式。
发布和订阅机制
当一个客户端通过 PUBLISH 命令向订阅者发送信息的时候，我们称这个客户端为发布者(publisher)。
而当一个客户端使用 SUBSCRIBE 或者 PSUBSCRIBE 命令接收信息的时候，我们称这个客户端为订阅者(subscriber)。
为了解耦发布者(publisher)和订阅者(subscriber)之间的关系，Redis 使用了 channel (频道)作为两者的中介 —— 发布者将信息直接发布给 channel ，而 channel 负责将信息发送给适当的订阅者，发布者和订阅者之间没有相互关系，也不知道对方的存在：
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知道了发布和订阅的机制之后，接下来就可以开始研究具体的实现了，我们从 Redis 的订阅命令开始说起。
SUBSCRIBE 命令的实现
前面说到，Redis 将所有接受和发送信息的任务交给 channel 来进行，而所有 channel 的信息就储存在 redisServer 这个结构中：
| struct redisServer { // 省略 ... dict *pubsub_channels; // Map channels to list of subscribed clients // 省略 ... }; |
pubsub_channels 是一个字典，字典的键就是一个个 channel ，而字典的值则是一个链表，链表中保存了所有订阅这个 channel 的客户端。
举个例子，如果在一个 redisServer 实例中，有一个叫做 news 的频道，这个频道同时被client_123 和 client_456 两个客户端订阅，那么这个 redisServer 结构看起来应该是这样子：
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可以看出，实现 SUBSCRIBE 命令的关键，就是将客户端添加到给定 channel 的订阅链表中。
函数 pubsubSubscribeChannel 是 SUBSCRIBE 命令的底层实现，它完成了将客户端添加到订阅链表中的工作：
| // 订阅指定频道 // 订阅成功返回 1 ，如果已经订阅过，返回 0 int pubsubSubscribeChannel(redisClient *c, robj *channel) { struct dictEntry *de; list *clients = NULL; int retval = 0; /* Add the channel to the client -> channels hash table */ // dictAdd 在添加新元素成功时返回 DICT_OK // 因此这个判断句表示，如果新订阅 channel 成功，那么 。。。 if (dictAdd(c->pubsub_channels,channel,NULL) == DICT_OK) { retval = 1; incrRefCount(channel); /* Add the client to the channel -> list of clients hash table */ // 将 client 添加到订阅给定 channel 的链表中 // 这个链表是一个哈希表的值，哈希表的键是给定 channel // 这个哈希表保存在 server.pubsub_channels 里 de = dictFind(server.pubsub_channels,channel); if (de == NULL) { // 如果 de 等于 NULL // 表示这个客户端是首个订阅这个 channel 的客户端 // 那么创建一个新的列表， 并将它加入到哈希表中 clients = listCreate(); dictAdd(server.pubsub_channels,channel,clients); incrRefCount(channel); } else { // 如果 de 不为空，就取出这个 clients 链表 clients = dictGetVal(de); } // 将客户端加入到链表中 listAddNodeTail(clients,c); } /* Notify the client */ addReply(c,shared.mbulkhdr[3]); addReply(c,shared.subscribebulk); // 返回订阅的频道 addReplyBulk(c,channel); // 返回客户端当前已订阅的频道和模式数量的总和 addReplyLongLong(c,dictSize(c->pubsub_channels)+listLength(c->pubsub_patterns)); return retval; } |
PSUBSCRIBE 命令的实现
除了直接订阅给定 channel 外，还可以使用 PSUBSCRIBE 订阅一个模式(pattern)，订阅一个模式等同于订阅所有匹配这个模式的 channel 。
和 redisServer.pubsub_channels 属性类似， redisServer.pubsub_patterns 属性用于保存所有被订阅的模式，和 pubsub_channels 不同的是， pubsub_patterns 是一个链表(而不是字典)：
| struct redisServer { // 省略 ... list *pubsub_patterns; // A list of pubsub_patterns // 省略 ... }; |
pubsub_patterns 的每一个节点都是一个 pubsubPattern 结构的实例，它保存了被订阅的模式，以及订阅这个模式的客户客户端：
| typedef struct pubsubPattern { redisClient *client; robj *pattern; } pubsubPattern; |
举个例子，假设在一个 redisServer 实例中，有一个叫做 news.* 的模式同时被客户端client_789 和 client_999 订阅，那么这个 redisServer 结构看起来应该是这样子：
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现在可以知道，实现 PSUBSCRIBE 命令的关键，就是将客户端和订阅的模式添加到redisServer.pubsub_patterns 当中。
pubsubSubscribePattern 是 PSUBSCRIBE 的底层实现，它将客户端和所订阅的模式添加到redisServer.pubsub_patterns 当中：
| // 订阅指定模式 // 订阅成功返回 1 ，如果已经订阅过，返回 0 int pubsubSubscribePattern(redisClient *c, robj *pattern) { int retval = 0; // 向 c->pubsub_patterns 中查找指定 pattern // 如果返回值为 NULL ，说明这个 pattern 还没被这个客户端订阅过 if (listSearchKey(c->pubsub_patterns,pattern) == NULL) { retval = 1; // 添加 pattern 到客户端 pubsub_patterns listAddNodeTail(c->pubsub_patterns,pattern); incrRefCount(pattern); // 将 pattern 添加到服务器 pubsubPattern *pat; pat = zmalloc(sizeof(*pat)); pat->pattern = getDecodedObject(pattern); pat->client = c; listAddNodeTail(server.pubsub_patterns,pat); } /* Notify the client */ addReply(c,shared.mbulkhdr[3]); addReply(c,shared.psubscribebulk); // 返回被订阅的模式 addReplyBulk(c,pattern); // 返回客户端当前已订阅的频道和模式数量的总和 addReplyLongLong(c,dictSize(c->pubsub_channels)+listLength(c->pubsub_patterns)); return retval; } |
PUBLISH 命令的实现
使用 PUBLISH 命令向订阅者发送消息，需要执行以下两个步骤：
1) 使用给定的频道作为键，在 redisServer.pubsub_channels 字典中查找记录了订阅这个频道的所有客户端的链表，遍历这个链表，将消息发布给所有订阅者。
2) 遍历 redisServer.pubsub_patterns 链表，将链表中的模式和给定的频道进行匹配，如果匹配成功，那么将消息发布到相应模式的客户端当中。
举个例子，假设有两个客户端分别订阅 it.news 频道和 it.* 模式，当执行命令PUBLISH it.news "hello moto" 的时候， it.news 频道的订阅者会在步骤 1 收到信息，而当PUBLISH 进行到步骤 2 的时候， it.* 模式的订阅者也会收到信息。
PUBLISH 命令的实际实现由 pubsubPublishMessage 函数完成，它的完整定义如下：
| // 发送消息 int pubsubPublishMessage(robj *channel, robj *message) { int receivers = 0; struct dictEntry *de; listNode *ln; listIter li; /* Send to clients listening for that channel */ // 向所有频道的订阅者发送消息 de = dictFind(server.pubsub_channels,channel); if (de) { list *list = dictGetVal(de); // 取出所有订阅者 listNode *ln; listIter li; // 遍历所有订阅者， 向它们发送消息 listRewind(list,&li); while ((ln = listNext(&li)) != NULL) { redisClient *c = ln->value; addReply(c,shared.mbulkhdr[3]); addReply(c,shared.messagebulk); addReplyBulk(c,channel); // 打印频道名 addReplyBulk(c,message); // 打印消息 receivers++; // 更新接收者数量 } } /* Send to clients listening to matching channels */ // 向所有被匹配模式的订阅者发送消息 if (listLength(server.pubsub_patterns)) { listRewind(server.pubsub_patterns,&li); // 取出所有模式 channel = getDecodedObject(channel); while ((ln = listNext(&li)) != NULL) { pubsubPattern *pat = ln->value; // 取出模式 // 如果模式和 channel 匹配的话 // 向这个模式的订阅者发送消息 if (stringmatchlen((char*)pat->pattern->ptr, sdslen(pat->pattern->ptr), (char*)channel->ptr, sdslen(channel->ptr),0)) { addReply(pat->client,shared.mbulkhdr[4]); addReply(pat->client,shared.pmessagebulk); addReplyBulk(pat->client,pat->pattern); // 打印被匹配的模式 addReplyBulk(pat->client,channel); // 打印频道名 addReplyBulk(pat->client,message); // 打印消息 receivers++; // 更新接收者数量 } } decrRefCount(channel); // 释放用过的 channel } return receivers; // 返回接收者数量 } |
UNSUBSCRIBE 和 PUNSUBSCRIBE 的实现
UNSUBSCRIBE 和 PUNSUBSCRIBE 分别是 SUBSCRIBE 和 PSUBSCRIBE 的反操作，如果明白了SUBSCRIBE 和 PSUBSCRIBE 的工作机制的话，应该不难理解这两个反操作的原理，所以这里就省略详细的分析了，有兴趣的可以直接看代码。
小节
Redis 的 pubsub 机制的分析就到此结束了，跟往常一样，带有注释的完整 pubsub.c 文件可以到我的 GITHUB 上找： https://github.com/huangz1990/reading_redis_source