前言
實現客戶端與服務端間通訊，在傳輸層協議 TCP 或 UDP 的基礎上，定義客戶端與服務端都能識別資訊的一套規則：一方進行編碼，另一方進行解碼，這便是【協議】。
在 Redis 中，定義了簡單的 RESP（REdis Serialization Protocol）文字協議，接下來，我們嘗試實現一款能與服務端通訊的 Redis 客戶端，其核心原理如市面上常見的 Redisson、Jedis 等類似。
由淺入深，理解市面上流行的開源元件會更加的得心應手。
實現
基礎
1. 網路通訊
我們知道，在傳統計算機網路模型中，傳輸層（TCP / UDP）的上一層便是應用層。應用層協議一般專注於資料的編解碼等約定，比如經典的 HTTP 協議。
RESP 協議本質和 HTTP 是一個級別，都屬於應用層協議。
在 redis 中，傳輸層協議使用的是 TCP，服務端從 TCP socket 緩衝區中讀取資料，然後經過 RESP 協議解碼得到我們的指令。
而寫入資料則是相反，伺服器先將響應資料使用 RESP 編碼，然後將編碼後的資料寫入 TCP Socket 緩衝區傳送給客戶端。
2. 協議格式
在 RESP 協議中，第一個位元組決定了具體資料型別：
簡單字串：Simple Strings，首位元組響應+錯誤：Errors，首位元組響應-整型：Integers，首位元組響應:批次字串：Bulk Strings，首位元組響應$陣列：Arrays，首位元組響應*
我們來看看一具體的例子，我們一條正常指令 PSETEX test_redisson_batch_key8 120000 test_redisson_batch_key=>value:8，經 RESP 協議編碼後長這樣：
*4 $6 PSETEX $24 test_redisson_batch_key8 $6 120000 $32 test_redisson_batch_key=>value:8
值得注意的是，在 RESP 協議中的每一部分都是以 \R\N 結尾。
基於 Socket 實現
實現一個簡單的 Redis 客戶端可以使用 Java 的 Socket 程式設計來直接與 Redis 伺服器進行通訊。
Redis 使用 RESP（REdis Serialization Protocol）協議進行通訊，因此我們需要按照該協議格式化請求並解析響應。
1. 建立 RedisClient 類
首先，我們建立一個 RedisClient 類，用於管理與 Redis 伺服器的連線和通訊。
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
public class RedisClient {
private Socket socket;
private BufferedReader reader;
private OutputStream writer;
// 連線到 Redis 伺服器
// 透過 Java 的 Socket 進行連線
public RedisClient(String host, int port) throws IOException {
this.socket = new Socket(host, port);
this.reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
this.writer = socket.getOutputStream();
}
public void close() throws IOException {
reader.close();
writer.close();
socket.close();
}
// 傳送命令到服務端，並讀取響應
private String sendCommand(String command) throws IOException {
writer.write(command.getBytes());
writer.flush();
return parseResponse();
}
// 解析響應資料
private String parseResponse() throws IOException {
String response = reader.readLine();
if (response == null) {
throw new IOException("Empty response from server");
}
char prefix = response.charAt(0);
switch (prefix) {
case '+': // Simple String
return response.substring(1);
case '-': // Error
throw new IOException("Error response from server: " + response.substring(1));
case ':': // Integer
return response.substring(1);
case '$': // Bulk String
int length = Integer.parseInt(response.substring(1));
if (length == -1) {
return null; // Null Bulk String
}
char[] bulkString = new char[length];
reader.read(bulkString, 0, length);
reader.readLine(); // Read the trailing \r\n
return new String(bulkString);
case '*': // Array
int count = Integer.parseInt(response.substring(1));
StringBuilder arrayResponse = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < count; i++) {
arrayResponse.append(parseResponse()).append("\n");
}
return arrayResponse.toString();
default:
throw new IOException("Unknown response prefix: " + prefix);
}
}
// 設定鍵值對
// 這裏需要按照 RESP 協議進行編碼資料，然後透過 sendCommand 傳送
public String set(String key, String value) throws IOException {
String command = String.format("*3\r\n$3\r\nSET\r\n$%d\r\n%s\r\n$%d\r\n%s\r\n", key.length(), key, value.length(), value);
return sendCommand(command);
}
// 獲取鍵值對
public String get(String key) throws IOException {
String command = String.format("*2\r\n$3\r\nGET\r\n$%d\r\n%s\r\n", key.length(), key);
return sendCommand(command);
}
public String del(String key) throws IOException {
String command = String.format("*2\r\n$3\r\nDEL\r\n$%d\r\n%s\r\n", key.length(), key);
return sendCommand(command);
}
public String setex(String key, int seconds, String value) throws IOException {
String command = String.format("*4\r\n$5\r\nSETEX\r\n$%d\r\n%s\r\n$%d\r\n%d\r\n$%d\r\n%s\r\n", key.length(), key, String.valueOf(seconds).length(), seconds, value.length(), value);
return sendCommand(command);
}
}
基本步驟：
透過 Socket 與服務端建立連線
指令編碼（使用 RESP 協議）
指令傳送以及解析響應資料
2. 使用 RedisClient 類
透過 RedisClient 進行通訊：
public class RedisClientTest {
public static void main(String[] args) {
try {
RedisClient client = new RedisClient("localhost", 6379);
// 設定一個鍵值對
System.out.println(client.set("name", "神醫"));
// 獲取鍵對應的值
System.out.println(client.get("name"));
// 設定一個帶有過期時間的鍵值對（10秒後過期）
System.out.println(client.setex("temp_key", 10, "臨時值"));
// 獲取帶有過期時間的鍵值對
System.out.println(client.get("temp_key"));
// 刪除一個鍵
System.out.println(client.del("name"));
// 嘗試獲取已刪除的鍵
System.out.println(client.get("name"));
client.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
基於 Netty 實現
如果想要非同步通訊能力、高吞吐等能力，使用 Java Socket 實現會更加繁瑣，而成熟的 Netty 元件提供了非同步處理和更高階的網路通訊功能，已經應用於各類元件底層通訊能力，使用 Netty 實現 Redis 客戶端將更容易獲得這些能力。
注：常見的開源 Redis 客戶端 Redisson 底層便使用 Netty 實現。
接下來我們也使用 Netty 實現 Redis 客戶端：
RESP 編碼器
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.handler.codec.MessageToByteEncoder;
public class RedisCommandEncoder extends MessageToByteEncoder<String> {
@Override
protected void encode(ChannelHandlerContext ctx, String msg, ByteBuf out) {
String[] parts = msg.split(" ");
out.writeByte('*');
out.writeBytes(Integer.toString(parts.length).getBytes());
out.writeBytes("\r\n".getBytes());
for (String part : parts) {
out.writeByte('$');
out.writeBytes(Integer.toString(part.length()).getBytes());
out.writeBytes("\r\n".getBytes());
out.writeBytes(part.getBytes());
out.writeBytes("\r\n".getBytes());
}
}
}
RESP 解碼器
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.handler.codec.ByteToMessageDecoder;
import java.util.List;
public class RedisResponseDecoder extends ByteToMessageDecoder {
@Override
protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) {
if (!in.isReadable()) {
return;
}
byte firstByte = in.readByte();
switch (firstByte) {
case '+':
out.add(readSimpleString(in));
break;
case '-':
out.add(readError(in));
break;
case ':':
out.add(readInteger(in));
break;
case '$':
out.add(readBulkString(in));
break;
case '*':
out.add(readArray(in));
break;
default:
throw new IllegalArgumentException("Unknown RESP type: " + (char) firstByte);
}
}
private String readSimpleString(ByteBuf in) {
return readLine(in);
}
private String readError(ByteBuf in) {
return readLine(in);
}
private long readInteger(ByteBuf in) {
return Long.parseLong(readLine(in));
}
private String readBulkString(ByteBuf in) {
int length = Integer.parseInt(readLine(in));
if (length == -1) {
return null;
}
byte[] bytes = new byte[length];
in.readBytes(bytes);
in.readByte(); // \r
in.readByte(); // \n
return new String(bytes);
}
private Object[] readArray(ByteBuf in) {
int length = Integer.parseInt(readLine(in));
if (length == -1) {
return null;
}
Object[] array = new Object[length];
for (int i = 0; i < length; i++) {
array[i] = decode(in);
}
return array;
}
private String readLine(ByteBuf in) {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
while (in.isReadable()) {
char c = (char) in.readByte();
if (c == '\r') {
in.readByte(); // \n
break;
}
sb.append(c);
}
return sb.toString();
}
}
Redis 客戶端實現
import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
public class NettyRedisClient {
private final String host;
private final int port;
private Channel channel;
private BlockingQueue<Object> responseQueue = new ArrayBlockingQueue<>(1);
public NettyRedisClient(String host, int port) {
this.host = host;
this.port = port;
}
public void start() throws InterruptedException {
EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
try {
Bootstrap bootstrap = new Bootstrap()
.group(group)
.channel(NioSocketChannel.class)
.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
protected void initChannel(SocketChannel ch) {
ch.pipeline().addLast(new RedisCommandEncoder(), new RedisResponseDecoder(), new SimpleChannelInboundHandler<Object>() {
@Override
protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
responseQueue.offer(msg);
}
});
}
});
channel = bootstrap.connect(host, port).sync().channel();
} finally {
// group.shutdownGracefully();
}
}
public Object sendCommand(String command) throws InterruptedException {
channel.writeAndFlush(command);
return responseQueue.take();
}
public void stop() {
channel.close();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
NettyRedisClient client = new NettyRedisClient("localhost", 6379);
client.start();
System.out.println(client.sendCommand("PING"));
System.out.println(client.sendCommand("SET mykey myvalue"));
System.out.println(client.sendCommand("GET mykey"));
client.stop();
}
}
使用 Netty 可以顯著提高網路通訊的效能和效率，同時簡化開發過程，提供更好的資源管理和錯誤處理機制。
對於需要處理大量併發連線和高效能要求的應用程式，Netty 是一個非常好的選擇。
以上是最小可用版的 Redis 客戶端，你可以基於此基礎上實現更豐富的功能~
