談到釋出訂閱模式，相信不會陌生，典型的觀察者模式的實作。然而從表面來看，本地實作一個wait/notify通知、register/update調用, 實作一個遠端mq服務, 還有本文說的 pub/sub, 其實道理都差不多。隻是，同樣的需求，針對不同的環境，實作上往往是有天壤之别的。
是以，我們就來看看 redis 的 pub/sub 是如何實作的吧！
零、redis釋出訂閱相關概念介紹
Redis 釋出訂閱(pub/sub)是一種消息通信模式：發送者(pub)發送消息，訂閱者(sub)接收消息。Redis 用戶端可以訂閱任意數量的頻道。
下圖展示了頻道 channel1，以及訂閱這個頻道的三個用戶端 —— client2 、 client5 和 client1 之間的關系：
當有新消息通過 PUBLISH 指令發送給頻道 channel1 時， 這個消息就會被發送給訂閱它的三個用戶端：
Redis的pub/sub實作中，釋出消息的方式隻有一種，但是訂閱消息卻有很多種方式。
使用場景如: 可以用做簡單消息通信中間件，監聽某些事件的變化;
從官方手冊上查到相關使用方法。
1> PUBLISH channel message
功能: 将資訊發送到指定的頻道。
傳回值: 接收到該消息的個數;
2> SUBSCRIBE channel [channel ...]
功能: 訂閱給定的一個或多個頻道的資訊。
傳回值: 等待消息狀态，用戶端不能再處理其他指令了。 除了 SUBSCRIBE, PSUBSCRIBE, UNSUBSCRIBE, PUNSUBSCRIBE, PING and QUIT commands.
3> PSUBSCRIBE pattern [pattern ...]
功能: 訂閱一個或多個符合給定模式的頻道。
4> PUBSUB subcommand [argument [argument ...]]
功能: 檢視訂閱與釋出系統狀态。subcomand 有 CHANNELS,NUMSUB,NUMPAT .
傳回值:
PUBSUB CHANNELS [pattern] 列舉出所有至少有一個訂閱者的符合表達式的channel(精确訂閱的用戶端，即使用 SUBSCRIBE 進行訂閱的用戶端);
PUBSUB NUMSUB [channel-1 ... channel-N] 每個要查詢的channel的訂閱數kv(精确訂閱的用戶端，即使用 SUBSCRIBE 進行訂閱的用戶端);
PUBSUB NUMPAT 傳回使用了 PSUBSCRIBE 訂閱的用戶端總數;
5> UNSUBSCRIBE [channel [channel ...]]
功能: 指退訂給定的頻道。
傳回值: 退訂頻道的影響訂閱數，自身未訂閱時，影響數為0;
6> PUNSUBSCRIBE [pattern [pattern ...]]
功能: 退訂所有給定模式的頻道。
以上指令的操作，當使用 redis-cli 時，将受限。使用 SUBSCRIBE/PSUBSCRIBE 訂閱channel後，隻能強行退出，不能再接受其他指令。即隻有配合各語言實作的sdk，才能連貫完成上面完整的操作。
一、pub/sub 相關資料結構
pub/sub 相關接口定義如下：
{"subscribe",subscribeCommand,-2,"rpslt",0,NULL,0,0,0,0,0},
{"unsubscribe",unsubscribeCommand,-1,"rpslt",0,NULL,0,0,0,0,0},
{"psubscribe",psubscribeCommand,-2,"rpslt",0,NULL,0,0,0,0,0},
{"punsubscribe",punsubscribeCommand,-1,"rpslt",0,NULL,0,0,0,0,0},
{"publish",publishCommand,3,"pltrF",0,NULL,0,0,0,0,0},
{"pubsub",pubsubCommand,-2,"pltrR",0,NULL,0,0,0,0,0}, 整個pub/sub使用的資料結構，都是之前介紹過的。主要有 dict, list 兩種，針對模式比對訂閱稍微多了個屬性:
// 使用 PSUBSCRIBE 訂閱方式，做一層資料格式封裝
typedef struct pubsubPattern {
client *client;
robj *pattern;
} pubsubPattern;
二、subscribe/psubscribe 訂閱channel實作
隻有先有訂閱者之後，釋出者發送的消息才會有意義。是以我們先看看訂閱的實作：
// 用法: SUBSCRIBE channel [channel ...]
// pubsub.c
void subscribeCommand(client *c) {
int j;
// n 個channel 的訂閱，循環調用即可
for (j = 1; j < c->argc; j++)
pubsubSubscribeChannel(c,c->argv[j]);
// 添加pubsub訂閱辨別，友善其他地方判斷
c->flags |= CLIENT_PUBSUB;
}
// 具體的單個 channel 訂閱實作
/* Subscribe a client to a channel. Returns 1 if the operation succeeded, or
* 0 if the client was already subscribed to that channel. */
int pubsubSubscribeChannel(client *c, robj *channel) {
dictEntry *de;
list *clients = NULL;
int retval = 0;
/* Add the channel to the client -> channels hash table */
// step1. 将要訂閱的 channel 添加到各自用戶端的 pubsub_channels 容器中
if (dictAdd(c->pubsub_channels,channel,NULL) == DICT_OK) {
retval = 1;
incrRefCount(channel);
/* Add the client to the channel -> list of clients hash table */
// step2. 将要訂閱的channel 添加到 server.pubsub_channels 中, 友善在publish時判定是否觸發通知
de = dictFind(server.pubsub_channels,channel);
if (de == NULL) {
clients = listCreate();
dictAdd(server.pubsub_channels,channel,clients);
incrRefCount(channel);
} else {
clients = dictGetVal(de);
}
// step3. 将用戶端自身添加到相應的 server.pubsub_channels 對應的隊列中去, 在通知時隻需周遊該隊列即可
listAddNodeTail(clients,c);
}
/* Notify the client */
// 響應用戶端:
// *3 \r\n
// $9\r\nsubscribe\r\n
// channel
// 111(該用戶端總共訂閱的channel數)
addReply(c,shared.mbulkhdr[3]);
addReply(c,shared.subscribebulk);
addReplyBulk(c,channel);
addReplyLongLong(c,clientSubscriptionsCount(c));
return retval;
}
// 用戶端訂閱的總channel數, 兩種訂閱方式相加
/* Return the number of channels + patterns a client is subscribed to. */
int clientSubscriptionsCount(client *c) {
return dictSize(c->pubsub_channels)+
listLength(c->pubsub_patterns);
} 如上就是單個channel的訂閱方式了，總結如下：
1. 用戶端自行管理需要訂閱的channel, 放到 c->pubsub_channels 中;
2. redis使用的一個統一的 server->pubsub_channels dict容器進行管理所有的channel;
3. 對于多個用戶端訂閱一個channel, redis 使用list進行管理追加;
整個訂閱過程，其實就是一個注冊的過程，自然複雜不到哪裡去。接下來，我們同步來看一下 使用模式訂閱的方式的注冊如何？
// 用法: PSUBSCRIBE pattern [pattern ...]
// pubsub.c
void psubscribeCommand(client *c) {
int j;
// 同樣是n個channel依次注冊
for (j = 1; j < c->argc; j++)
pubsubSubscribePattern(c,c->argv[j]);
c->flags |= CLIENT_PUBSUB;
}
// 注冊單個模式比對的 channel 訂閱
/* Subscribe a client to a pattern. Returns 1 if the operation succeeded, or 0 if the client was already subscribed to that pattern. */
int pubsubSubscribePattern(client *c, robj *pattern) {
int retval = 0;
// 直接查找對應的 pattern, 沒有則添加
if (listSearchKey(c->pubsub_patterns,pattern) == NULL) {
retval = 1;
pubsubPattern *pat;
listAddNodeTail(c->pubsub_patterns,pattern);
incrRefCount(pattern);
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);
addReplyBulk(c,pattern);
addReplyLongLong(c,clientSubscriptionsCount(c));
return retval;
} PSUBSCRIBE 的管理方式與 SUBSCRIBE 的管理方式不一樣，它是直接使用list儲存訂閱的模式到 server.pubsub_patterns 中，針對不一樣的模式，使用一個新的pubsubPattern來儲存。
注意：所有用戶端的訂閱管理，server.pubsub_patterns 使用平坦式管理，即相同的模式訂閱，有多少個用戶端，就會有多個元素被添加到 pubsub_patterns 中。（為什麼不使用子連結清單的方式進行管理呢？？？）
三、publish 釋出消息的實作
publish 是觸發subscribe的方式，沒有publish動作，subscribe就會一直在等待中。想來應該不難，消息釋出之後，隻要将注冊上來的客戶一個進行消息推送，就實作了相應功能。是以，pub/sub 操作，必然是基于長連接配接的實作方式，沒毛病。
redis 的釋出指令如下：
// 用法: PUBLISH channel message
// pubsub.c
void publishCommand(client *c) {
// 使用 channel+message 進行釋出消息
int receivers = pubsubPublishMessage(c->argv[1],c->argv[2]);
// 指令傳播
if (server.cluster_enabled)
clusterPropagatePublish(c->argv[1],c->argv[2]);
else
forceCommandPropagation(c,PROPAGATE_REPL);
addReplyLongLong(c,receivers);
}
// 釋出一條消息
/* Publish a message */
int pubsubPublishMessage(robj *channel, robj *message) {
int receivers = 0;
dictEntry *de;
listNode *ln;
listIter li;
/* Send to clients listening for that channel */
// 使用 SUBSCRIBE 訂閱的用戶端，直接周遊相應的 channel集合即可
de = dictFind(server.pubsub_channels,channel);
if (de) {
list *list = dictGetVal(de);
listNode *ln;
listIter li;
// 依次進行資料響應，将消息傳播到訂閱端
listRewind(list,&li);
while ((ln = listNext(&li)) != NULL) {
client *c = ln->value;
addReply(c,shared.mbulkhdr[3]);
addReply(c,shared.messagebulk);
addReplyBulk(c,channel);
addReplyBulk(c,message);
receivers++;
}
}
/* Send to clients listening to matching channels */
// 處理使用 PSUBSCRIBE 訂閱消息的用戶端
// 前面說過, PSUBSCRIBE 在redis使用平坦式管理，是以需要做的模式比對将會更多
// 也就是說 PSUBSCRIBE 的響應性能也會更差
if (listLength(server.pubsub_patterns)) {
listRewind(server.pubsub_patterns,&li);
channel = getDecodedObject(channel);
while ((ln = listNext(&li)) != NULL) {
pubsubPattern *pat = ln->value;
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);
addReplyBulk(pat->client,channel);
addReplyBulk(pat->client,message);
receivers++;
}
}
decrRefCount(channel);
}
return receivers;
} 可以看到，redis消息的釋出可能比想象中的還要簡單。不過有一點需要注意的是，整個publish的消息并沒有在redis進行存儲操作，也就是說釋出完一個消息之後，就再也找不到蹤迹了。這也是很多消息中間件的實作方式，因為資料的保留可能會顯得沒有意義。
整個釋出消息的過程，其實就是向各個subscriber進行資料推送的過程，而這些scriber則是基于長連接配接用戶端執行個體，以至于其看起來和本地實作的register/update 的觀察者子產品沒啥兩樣。
是以，基本上 redis 的釋出訂閱功能實作得，還是實作的粒度還是比較粗的。系統上的應用如哨兵模式下的master/slave的切換。而如果自己應用的話，就需要找準自己的應用場景，不要亂用了。
四、unsubscribe 解除訂閱關系
當關注的事件處理完成後，可能就不需要再訂閱相關消息了，就需要進行解決訂閱。解決訂閱關系，即不再接受相應的釋出消息，将自身從系統資料庫中删除即可。基本上就是和訂閱進行一個反解操作！
// 用法: UNSUBSCRIBE [channel [channel ...]]
// pubsub.c
void unsubscribeCommand(client *c) {
// unsubscribe, 直接解決所有的訂閱
if (c->argc == 1) {
pubsubUnsubscribeAllChannels(c,1);
} else {
int j;
// 根據指定的 channel 依次解除訂閱關系
for (j = 1; j < c->argc; j++)
pubsubUnsubscribeChannel(c,c->argv[j],1);
}
// 當一個訂閱也沒有，則自身不再處理 pubsub 相關的事務
if (clientSubscriptionsCount(c) == 0) c->flags &= ~CLIENT_PUBSUB;
}
/* Unsubscribe a client from a channel. Returns 1 if the operation succeeded, or
* 0 if the client was not subscribed to the specified channel. */
int pubsubUnsubscribeChannel(client *c, robj *channel, int notify) {
dictEntry *de;
list *clients;
listNode *ln;
int retval = 0;
/* Remove the channel from the client -> channels hash table */
incrRefCount(channel); /* channel may be just a pointer to the same object
we have in the hash tables. Protect it... */
// 先删除自身的訂閱辨別，再删除 server.pubsub_channels 辨別
if (dictDelete(c->pubsub_channels,channel) == DICT_OK) {
retval = 1;
/* Remove the client from the channel -> clients list hash table */
de = dictFind(server.pubsub_channels,channel);
serverAssertWithInfo(c,NULL,de != NULL);
clients = dictGetVal(de);
ln = listSearchKey(clients,c);
serverAssertWithInfo(c,NULL,ln != NULL);
listDelNode(clients,ln);
if (listLength(clients) == 0) {
/* Free the list and associated hash entry at all if this was
* the latest client, so that it will be possible to abuse
* Redis PUBSUB creating millions of channels. */
dictDelete(server.pubsub_channels,channel);
}
}
/* Notify the client */
// 調用 unsubscribe 進行解決訂閱的，此處都需要進行用戶端響應通知
if (notify) {
addReply(c,shared.mbulkhdr[3]);
addReply(c,shared.unsubscribebulk);
addReplyBulk(c,channel);
addReplyLongLong(c,dictSize(c->pubsub_channels)+
listLength(c->pubsub_patterns));
}
decrRefCount(channel); /* it is finally safe to release it */
return retval;
}
// 解決所有的目前用戶端的訂閱關系 (SUBSCRIBE 建立的訂閱)
/* Unsubscribe from all the channels. Return the number of channels the
* client was subscribed to. */
int pubsubUnsubscribeAllChannels(client *c, int notify) {
dictIterator *di = dictGetSafeIterator(c->pubsub_channels);
dictEntry *de;
int count = 0;
// 疊代 c->pubsub_channels 的訂閱，依次删除即可
while((de = dictNext(di)) != NULL) {
robj *channel = dictGetKey(de);
count += pubsubUnsubscribeChannel(c,channel,notify);
}
/* We were subscribed to nothing? Still reply to the client. */
if (notify && count == 0) {
addReply(c,shared.mbulkhdr[3]);
addReply(c,shared.unsubscribebulk);
addReply(c,shared.nullbulk);
addReplyLongLong(c,dictSize(c->pubsub_channels)+
listLength(c->pubsub_patterns));
}
dictReleaseIterator(di);
return count;
} 不出所料，就是一個從 pubsub_channels 中的删除一個元素的問題，别無其他。其中需要注意的是，SUBSCRIBE 對應 UNSUBSCRIBE, PSUBSCRIBE 對應 PUNSUBSCRIBE。
五、關于redis pub/sub 之後的思考
需要注意的是，消息中間件是遠端通信元件，必然存在各種不确定性，是以確定長連接配接的有效性是非常重要，比如通過PING-PONG方式進行續租，以保持連接配接的有效性。
可以說，我們要實作一個簡單的pub/sub 功能是簡單的，但是要應對各種異常情況則是困難的。
1. 比如當訂閱的量越來越大時，整個釋出消息過程可能變量緩慢起來，如何處理？
2. 如果消費者端處理失敗，如何處理？
3. 訂閱者為什麼隻能做很少的事情，能不能多做一點？
4. 出現問題時如何進行溯源？
5. 如何處理單機瓶頸問題？
6. 如果是多機負載，如何處理資料一緻性問題？
7. 消費者事務處理能力問題？
redis是專業的緩存解決方案，但不是專業的消息通信解決方案，它的實作隻能為打開我們的一點思路。我們還是要相信專業的力量，以上問題相信在很多消息中間件中很容易找到相應答案。
不要害怕今日的苦，你要相信明天，更苦！