Redis 消息队列的三种方案（List、Streams、Pub

2021-01-14 本文已影响0人傻姑不傻

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现如今的互联网应用大都是采用 分布式系统架构 设计的，所以 消息队列 已经逐渐成为企业的应用系统 内部通信 的核心手段，

它具有 低耦合、可靠投递、广播、流量控制、最终一致性 等一系列功能。

当前使用较多的 消息队列 有 RabbitMQ、RocketMQ、ActiveMQ、Kafka、ZeroMQ、MetaMQ 等，而部分数据库 如 Redis、MySQL 以及 phxsql ，如果硬搞的话，其实也可实现消息队列的功能。

可能有人觉得，各种开源的 MQ 已经足够使用了，为什么需要用 Redis 实现 MQ 呢？

有些简单的业务场景，可能不需要重量级的 MQ 组件（相比 Redis 来说，Kafka 和 RabbitMQ 都算是重量级的消息队列）

那你有考虑过用 Redis 做消息队列吗？

这一章，我会结合消息队列的特点和 Redis 做消息队列的使用方式，以及实际项目中的使用，来和大家探讨下 Redis 消息队列的方案。

一、回顾消息队列

消息队列 是指利用 高效可靠 的 消息传递机制 进行与平台无关的 数据交流，并基于数据通信来进行分布式系统的集成。

通过提供 消息传递 和 消息排队 模型，它可以在 分布式环境 下提供 应用解耦、弹性伸缩、冗余存储、流量削峰、异步通信、数据同步 等等功能，其作为 分布式系统架构 中的一个重要组件，有着举足轻重的地位。

mq_overview

现在回顾下，我们使用的消息队列，一般都有什么样的特点：

三个角色：生产者、消费者、消息处理中心
异步处理模式：生产者 将消息发送到一条 虚拟的通道（消息队列）上，而无须等待响应。消费者 则订阅或是监听该通道，取出消息。两者互不干扰，甚至都不需要同时在线，也就是我们说的 松耦合
可靠性：消息要可以保证不丢失、不重复消费、有时可能还需要顺序性的保证

撇开我们常用的消息中间件不说，你觉得 Redis 的哪些数据类型可以满足 MQ 的常规需求~~

二、Redis 实现消息队列

思来想去，只有 List 和 Streams 两种数据类型，可以实现消息队列的这些需求，当然，Redis 还提供了发布、订阅(pub/sub) 模式。

我们逐一看下这 3 种方式的使用和场景。

2.1 List 实现消息队列

Redis 列表是简单的字符串列表，按照插入顺序排序。你可以添加一个元素到列表的头部（左边）或者尾部（右边）。

所以常用来做异步队列使用。将需要延后处理的任务结构体序列化成字符串塞进 Redis 的列表，另一个线程从这个列表中轮询数据进行处理。

Redis 提供了好几对 List 指令，先大概看下这些命令，混个眼熟

List 常用命令

挑几个弹入、弹出的命令就可以组合出很多姿势

LPUSH、RPOP 左进右出
RPUSH、LPOP 右进左出

127.0.0.1:6379> lpush mylist a a b c d e
(integer) 6
127.0.0.1:6379> rpop mylist
"a"
127.0.0.1:6379> rpop mylist
"a"
127.0.0.1:6379> rpop mylist
"b"
127.0.0.1:6379>

redis-RPOP

即时消费问题

通过 LPUSH，RPOP 这样的方式，会存在一个性能风险点，就是消费者如果想要及时的处理数据，就要在程序中写个类似 while(true) 这样的逻辑，不停地去调用 RPOP 或 LPOP 命令，这就会给消费者程序带来些不必要的性能损失。

所以，Redis 还提供了 BLPOP、BRPOP 这种阻塞式读取的命令（带 B-Bloking的都是阻塞式），客户端在没有读到队列数据时，自动阻塞，直到有新的数据写入队列，再开始读取新数据。这种方式就节省了不必要的 CPU 开销。

LPUSH、BRPOP 左进右阻塞出
RPUSH、BLPOP 右进左阻塞出

127.0.0.1:6379> lpush yourlist a b c d
(integer) 4
127.0.0.1:6379> blpop yourlist 10
1) "yourlist"
2) "d"
127.0.0.1:6379> blpop yourlist 10
1) "yourlist"
2) "c"
127.0.0.1:6379> blpop yourlist 10
1) "yourlist"
2) "b"
127.0.0.1:6379> blpop yourlist 10
1) "yourlist"
2) "a"
127.0.0.1:6379> blpop yourlist 10
(nil)
(10.02s)

如果将超时时间设置为 0 时，即可无限等待，直到弹出消息

因为 Redis 单线程的特点，所以在消费数据时，同一个消息会不会同时被多个 consumer 消费掉，但是需要我们考虑消费不成功的情况。

可靠队列模式 | ack 机制

以上方式中， List 队列中的消息一经发送出去，便从队列里删除。如果由于网络原因消费者没有收到消息，或者消费者在处理这条消息的过程中崩溃了，就再也无法还原出这条消息。究其原因，就是缺少消息确认机制。

为了保证消息的可靠性，消息队列都会有完善的消息确认机制（Acknowledge），即消费者向队列报告消息已收到或已处理的机制。

Redis List 怎么搞一搞呢？

再看上边的表格中，有两个命令， RPOPLPUSH、BRPOPLPUSH （阻塞）从一个 list 中获取消息的同时把这条消息复制到另一个 list 里（可以当做备份），而且这个过程是原子的。

这样我们就可以在业务流程安全结束后，再删除队列元素，实现消息确认机制。

127.0.0.1:6379> rpush myqueue one
(integer) 1
127.0.0.1:6379> rpush myqueue two
(integer) 2
127.0.0.1:6379> rpush myqueue three
(integer) 3
127.0.0.1:6379> rpoplpush myqueue queuebak
"three"
127.0.0.1:6379> lrange myqueue 0 -1
1) "one"
2) "two"
127.0.0.1:6379> lrange queuebak 0 -1
1) "three"

redis-rpoplpush

之前做过的项目中就有用到这样的方式去处理数据，数据标识从一个 List 取出后放入另一个 List，业务操作安全执行完成后，再去删除 List 中的数据，如果有问题的话，很好回滚。

当然，还有更特殊的场景，可以通过 zset 来实现延时消息队列，原理就是将消息加到 zset 结构后，将要被消费的时间戳设置为对应的 score 即可，只要业务数据不会是重复数据就 OK。

2.2 订阅与发布实现消息队列

我们都知道消息模型有两种

点对点：Point-to-Point(P2P)
发布订阅：Publish/Subscribe(Pub/Sub)

List 实现方式其实就是点对点的模式，下边我们再看下 Redis 的发布订阅模式（消息多播），这才是“根正苗红”的 Redis MQ

redis-pub_sub

"发布/订阅"模式同样可以实现进程间的消息传递，其原理如下:

"发布/订阅"模式包含两种角色，分别是发布者和订阅者。订阅者可以订阅一个或者多个频道(channel)，而发布者可以向指定的频道(channel)发送消息，所有订阅此频道的订阅者都会收到此消息。

Redis 通过 PUBLISH 、 SUBSCRIBE 等命令实现了订阅与发布模式，这个功能提供两种信息机制，分别是订阅/发布到频道和订阅/发布到模式。

这个频道和模式有什么区别呢？

频道我们可以先理解为是个 Redis 的 key 值，而模式，可以理解为是一个类似正则匹配的 Key，只是个可以匹配给定模式的频道。这样就不需要显式地去订阅多个名称了，可以通过模式订阅这种方式，一次性关注多个频道。

我们启动三个 Redis 客户端看下效果：

redis-subscribe

先启动两个客户端订阅（subscribe）名字叫 framework 的频道，然后第三个客户端往 framework 发消息，可以看到前两个客户端都会接收到对应的消息：

redis-publish

我们可以看到订阅的客户端每次可以收到一个 3 个参数的消息，分别为：

消息的种类
始发频道的名称
实际的消息

再来看下订阅符合给定模式的频道，这回订阅的命令是 PSUBSCRIBE

redis-psubscribe

我们往 java.framework 这个频道发送了一条消息，不止订阅了该频道的 Consumer1 和 Consumer2 可以接收到消息，订阅了模式 java.* 的 Consumer3 和 Consumer4 也可以接收到消息。

redis-psubscribe1

Pub/Sub 常用命令：

2.3 Streams 实现消息队列

Redis 发布订阅 (pub/sub) 有个缺点就是消息无法持久化，如果出现网络断开、Redis 宕机等，消息就会被丢弃。而且也没有 Ack 机制来保证数据的可靠性，假设一个消费者都没有，那消息就直接被丢弃了。

后来 Redis 的父亲 Antirez，又单独开启了一个叫 Disque 的项目来完善这些问题，但是没有做起来，github 的更新也定格在了 5 年前，所以我们就不讨论了。

Redis 5.0 版本新增了一个更强大的数据结构——Stream。它提供了消息的持久化和主备复制功能，可以让任何客户端访问任何时刻的数据，并且能记住每一个客户端的访问位置，还能保证消息不丢失。

它就像是个仅追加内容的消息链表，把所有加入的消息都串起来，每个消息都有一个唯一的 ID 和对应的内容。而且消息是持久化的。

redis-stream

每个 Stream 都有唯一的名称，它就是 Redis 的 key，在我们首次使用 xadd 指令追加消息时自动创建。

Streams 是 Redis 专门为消息队列设计的数据类型，所以提供了丰富的消息队列操作命令。

Stream 常用命令

CRUD 工程师上线

增删改查来一波

# * 号表示服务器自动生成 ID，后面顺序跟着一堆 key/value
127.0.0.1:6379> xadd mystream * f1 v1 f2 v2 f3 v3
"1609404470049-0"  ## 生成的消息 ID，有两部分组成，毫秒时间戳-该毫秒内产生的第1条消息

# 消息ID 必须要比上个 ID 大
127.0.0.1:6379> xadd mystream 123 f4 v4  
(error) ERR The ID specified in XADD is equal or smaller than the target stream top item

# 自定义ID
127.0.0.1:6379> xadd mystream 1609404470049-1 f4 v4
"1609404470049-1"

# -表示最小值 , + 表示最大值,也可以指定最大消息ID，或最小消息ID，配合 -、+ 使用
127.0.0.1:6379> xrange mystream - +
1) 1) "1609404470049-0"
   2) 1) "f1"
      2) "v1"
      3) "f2"
      4) "v2"
      5) "f3"
      6) "v3"
2) 1) "1609404470049-1"
   2) 1) "f4"
      2) "v4"

127.0.0.1:6379> xdel mystream 1609404470049-1
(integer) 1
127.0.0.1:6379> xlen mystream
(integer) 1
# 删除整个 stream
127.0.0.1:6379> del mystream
(integer) 1

独立消费

xread 以阻塞或非阻塞方式获取消息列表，指定 BLOCK 选项即表示阻塞，超时时间 0 毫秒（意味着永不超时）

# 从ID是0-0的开始读前2条
127.0.0.1:6379> xread count 2 streams mystream 0
1) 1) "mystream"
   2) 1) 1) "1609405178536-0"
         2) 1) "f5"
            2) "v5"
      2) 1) "1609405198676-0"
         2) 1) "f1"
            2) "v1"
            3) "f2"
            4) "v2"

# 阻塞的从尾部读取流，开启新的客户端xadd后发现这里就读到了,block 0 表示永久阻塞
127.0.0.1:6379> xread block 0 streams mystream $
1) 1) "mystream"
   2) 1) 1) "1609408791503-0"
         2) 1) "f6"
            2) "v6"
(42.37s)

可以看到，我并没有给流 mystream 传入一个常规的 ID，而是传入了一个特殊的 ID $这个特殊的 ID 意思是 XREAD 应该使用流 mystream 已经存储的最大 ID 作为最后一个 ID。以便我们仅接收从我们开始监听时间以后的新消息。这在某种程度上相似于 Unix 命令tail -f。

当然，也可以指定任意有效的 ID。

而且， XREAD 的阻塞形式还可以同时监听多个 Strema，只需要指定多个键名即可。

127.0.0.1:6379> xread block 0 streams mystream yourstream $ $

创建消费者组

xread 虽然可以扇形分发到 N 个客户端，然而，在某些问题中，我们想要做的不是向许多客户端提供相同的消息流，而是从同一流向许多客户端提供不同的消息子集。比如下图这样，三个消费者按轮训的方式去消费一个 Stream。

redis-stream-cg

Redis Stream 借鉴了很多 Kafka 的设计。

Consumer Group：有了消费组的概念，每个消费组状态独立，互不影响，一个消费组可以有多个消费者
last_delivered_id ：每个消费组会有个游标 last_delivered_id 在数组之上往前移动，表示当前消费组已经消费到哪条消息了
pending_ids ：消费者的状态变量，作用是维护消费者的未确认的 id。pending_ids 记录了当前已经被客户端读取的消息，但是还没有 ack。如果客户端没有 ack，这个变量里面的消息 ID 会越来越多，一旦某个消息被 ack，它就开始减少。这个 pending_ids 变量在 Redis 官方被称之为 PEL，也就是 Pending Entries List，这是一个很核心的数据结构，它用来确保客户端至少消费了消息一次，而不会在网络传输的中途丢失了没处理。

redis-group-strucure

Stream 不像 Kafak 那样有分区的概念，如果想实现类似分区的功能，就要在客户端使用一定的策略将消息写到不同的 Stream。

xgroup create：创建消费者组
xgreadgroup：读取消费组中的消息
xack：ack 掉指定消息

# 创建消费者组的时候必须指定 ID, ID 为 0 表示从头开始消费，为 $ 表示只消费新的消息，也可以自己指定
127.0.0.1:6379> xgroup create mystream mygroup $
OK

# 查看流和消费者组的相关信息，可以查看流、也可以单独查看流下的某个组的信息
127.0.0.1:6379> xinfo stream mystream
 1) "length"
 2) (integer) 4  # 共 4 个消息
 3) "radix-tree-keys"
 4) (integer) 1
 5) "radix-tree-nodes"
 6) (integer) 2
 7) "last-generated-id"
 8) "1609408943089-0"
 9) "groups"
10) (integer) 1  # 一个消费组
11) "first-entry" # 第一个消息
12) 1) "1609405178536-0"
    2) 1) "f5"
       2) "v5"
13) "last-entry"  # 最后一个消息
14) 1) "1609408943089-0"
    2) 1) "f6"
       2) "v6"
127.0.0.1:6379>

按消费组消费

Stream 提供了 xreadgroup 指令可以进行消费组的组内消费，需要提供消费组名称、消费者名称和起始消息 ID。它同 xread 一样，也可以阻塞等待新消息。读到新消息后，对应的消息 ID 就会进入消费者的 PEL(正在处理的消息) 结构里，客户端处理完毕后使用 xack 指令通知服务器，本条消息已经处理完毕，该消息 ID 就会从 PEL 中移除。

#  消费组 mygroup1 中的 消费者 c1 从 mystream 中 消费组数据
# > 号表示从当前消费组的 last_delivered_id 后面开始读
# 每当消费者读取一条消息，last_delivered_id 变量就会前进
127.0.0.1:6379> xreadgroup group mygroup1 c1 count 1 streams mystream >
1) 1) "mystream"
   2) 1) 1) "1609727806627-0"
         2) 1) "f1"
            2) "v1"
            3) "f2"
            4) "v2"
            5) "f3"
            6) "v3"
127.0.0.1:6379> xreadgroup group mygroup1 c1 count 1 streams mystream >
1) 1) "mystream"
   2) 1) 1) "1609727818650-0"
         2) 1) "f4"
            2) "v4"
# 已经没有消息可读了            
127.0.0.1:6379> xreadgroup group mygroup1 c1 count 2 streams mystream >
(nil)

# 还可以阻塞式的消费
127.0.0.1:6379> xreadgroup group mygroup1 c2 block 0 streams mystream >
µ1) 1) "mystream"
   2) 1) 1) "1609728270632-0"
         2) 1) "f5"
            2) "v5"
(89.36s)

# 观察消费组信息
127.0.0.1:6379> xinfo groups mystream
1) 1) "name"
   2) "mygroup1"
   3) "consumers"
   4) (integer) 2  # 2个消费者
   5) "pending"
   6) (integer) 3   # 共 3 条正在处理的信息还没有 ack
   7) "last-delivered-id"
   8) "1609728270632-0"

127.0.0.1:6379> xack mystream mygroup1 1609727806627-0  # ack掉指定消息
(integer) 1

尝鲜到此结束，就不继续深入了。

个人感觉，就目前来说，Stream 还是不能当做主流的 MQ 来使用的，而且使用案例也比较少，慎用。