Java手写Redis服务端的实现

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

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 " " (CRLF) 结束。 字符串 "foobar" 编码如下:

"$6
foobar
"

实际redis命令是什么样的,比如 SET lhjljh lhjkjhkh

*3
$3
SET
$6
lhjljh
$8
lhjkjhkh

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。

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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。

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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。

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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

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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

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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

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2,key

用封装的值做value的原因是方便统一管理

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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

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4,set

底层使用HashSet,redis里的set没有多特殊

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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。

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6,zset

首先需要封装一个带有值和分值的对象

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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。

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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

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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

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

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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:

aof_img.jpg

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。

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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:

cppredis.jpg

下图为java语言版的redis压测数据:

javaredis.jpg

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。

到此这篇关于Java手写Redis服务端的实现的文章就介绍到这了,更多相关Java手写Redis服务端内容请搜索云海天教程以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持云海天教程!