jedis原理解析

1. Redis通信协议

      Jedis Client是Redis官网推荐的一个面向java客户端，库文件实现了对redis各类API进行封装调用。redis通信协议是Redis客户端与Redis Server之间交流的语言，它规定了请求和返回值的格式。redis-cli与server端使用一种专门为redis设计的协议RESP(Redis Serialization Protocol)交互，Resp本身没有指定TCP，但redis上下文只使用TCP连接。
      RESP规定：

  • 用 \r\n 做间隔
  • 对于简单的字符串，以+开头
set hello world
+OK\r\n
  • 对于错误消息，以-开头，例如：
sethx  // 该命令不存在
-ERR unknown command 'sethx'
  • 对于整数，以：开头，例如：
dbsize
:100\r\n
  • 对于大字符串，以$开头，接着跟上字符串长度的数字：最长为512MB。例如：
get name
$6\r\nfoobar\r\n      代表一个长6的字符串， foobar 
$0\r\n\r\n            长度为0 的空字符串
$-1\r\n                Null
  • 对于数组，以*开头，接上数组元素的个数。
*0\r\n    一个空的数组
mset name1 foo name2 bar
mget name1 name2
*2\r\n$3\r\nfoo\r\n$3\r\nbar\r\n 一个有两个元素的数组   foo  bar
image.png

image.png
  • 我们知道redis-cli只能看到最终的执行结果，因为redis-cli本身就是按照RESP进行结果解析的，所以看不到中间结果。
  • 通过RESP，执行一个命令，客户端与服务端的交互步骤如下：
输入命令->将命令编码成字节流->通过TCP发送到服务端->服务端解析字节流->服务端执行命令->
->将结果编码成字节流->通过TCP链接发送给客户端->解析字节流->得到执行结果

比如执行set hello world,根据resp协议，需要客户端解析为下面格式字节流发送给服务端

*3\r\n
    $3\r\nset\r\n
    $5\r\nhello\r\n
    $5\r\nworld\r\n

2. jedis通信原理

      试想，如果让我们自己根据上面提到的协议用java去实现一个客户端与redis服务端实现通信，该怎么做呢？

public class TSocketClient {
    // 定义socket

    private Socket socket;

    public TSocketClient() {
        try {
            socket = new Socket("192.168.58.99", 6379);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public String set(final String key, final String value) throws IOException {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append("*3").append("\r\n");
        sb.append("$3").append("\r\n");
        sb.append("set").append("\r\n");
        sb.append("$").append(key.getBytes().length).append("\r\n");
        sb.append(key).append("\r\n");
        sb.append("$").append(value.getBytes().length).append("\r\n");
        sb.append(value).append("\r\n");
        socket.getOutputStream().write(sb.toString().getBytes());
        byte[] b = new byte[2048];
        socket.getInputStream().read(b);
        return new String(b);
    }

    public String get(final String key) throws IOException {

        StringBuilder sb = new StringBuilder();

        sb.append("*2").append("\r\n"); // *表示数组 后面数字表示数组长度

        sb.append("$3").append("\r\n");

        sb.append("get").append("\r\n");

        sb.append("$").append(key.getBytes().length).append("\r\n"); // 美元符号表示字符串，后面的数字表示长度
        sb.append(key).append("\r\n");

        socket.getOutputStream().write(sb.toString().getBytes());

        byte[] b = new byte[2048];

        socket.getInputStream().read(b);
        return new String(b);
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TSocketClient client = new TSocketClient();
        client.set("hello", "ziyan");
    }

}

     上面代码通过实现resp协议实现了与redis服务端的通信，其实jedis客户端本质上也是通过建立socket按照resp协议与redis通信，下面来分析jedis具体的代码：
   第一部分：jedis对象的创建：Jedis jedis = new Jedis(); 主要是创建连接Redis服务器的客户端，在Jedis基类BinaryJedis中主要有Connection对象，创建jedis对象的时候尚未连接到redis服务器，在Connection类中,主要设置了链接Redis所使用socket的参数以及操作socket所使用的工具。

         //创建Redis客户端
         Jedis jedis = new Jedis();
         //调用set 命令,返回状态标记
         String code=jedis.set("s", "s");
         System.out.println("code="+code);
         //调用get命令
         String s =jedis.get("s");
         System.out.println("s="+s);

//Jedis客户端链接,使用原始socket进行链接
public class Connection implements Closeable 
{
  
  private static final byte[][] EMPTY_ARGS = new byte[0][];
  //默认主机
  private String host = Protocol.DEFAULT_HOST;
  //默认端口
  private int port = Protocol.DEFAULT_PORT;
  //原始socket
  private Socket socket;
  //输入输出流
  private RedisOutputStream outputStream;
  private RedisInputStream inputStream;
  private int connectionTimeout = Protocol.DEFAULT_TIMEOUT;
  private int soTimeout = Protocol.DEFAULT_TIMEOUT;
  private boolean broken = false;
 
  public Connection() {
  }
}

   从Connection的成员变量中可以看出，jedis使用了jdk的io socket来处理网络通信。
  第二部分：在调用 String code=jedis.set("s", "s"); 命令的时候,才是真正创建链接的过程。Client(BinaryClient).set(byte[], byte[]) 方法参数就是把由String 字符串转换成字节数值，并调用Connection的sendCommand方法来发送Redis命令。

  //每次发送命令前都判断是否链接,如果链接端口并且链接不上，则抛出异常
  protected Connection sendCommand(final ProtocolCommand cmd, final byte[]... args) {
    try {
      connect();//每次发送Redis命令都会调用Connect()方法来链接Redis远程服务器
      Protocol.sendCommand(outputStream, cmd, args); //操作socket 的输出流来发送命令
      return this;
    } catch (JedisConnectionException ex) {
      /*
       * When client send request which formed by invalid protocol, Redis send back error message
       * before close connection. We try to read it to provide reason of failure.
       */
      try {
        String errorMessage = Protocol.readErrorLineIfPossible(inputStream);
        if (errorMessage != null && errorMessage.length() > 0) {
          ex = new JedisConnectionException(errorMessage, ex.getCause());
        }
      } catch (Exception e) {
        /*
         * Catch any IOException or JedisConnectionException occurred from InputStream#read and just
         * ignore. This approach is safe because reading error message is optional and connection
         * will eventually be closed.
         */
      }
      // Any other exceptions related to connection?
      broken = true;
      throw ex;
    }
  }

每次调用sendCommand发送命令时候，都会调用Connnect()方法尝试链接远程端口。

  //在发送命令之前连接redis服务器
  public void connect() {
    if (!isConnected()) {
      try {
        //创建新socket  
        socket = new Socket();
        //设置socket参数
        socket.setReuseAddress(true);
        socket.setKeepAlive(true); // Will monitor the TCP connection is
        // valid
        socket.setTcpNoDelay(true); // Socket buffer Whetherclosed, to
        // ensure timely delivery of data
        socket.setSoLinger(true, 0); // Control calls close () method,
        // the underlying socket is closed
        // immediately
        // <-@wjw_add
        //设置链接超时时间
        socket.connect(new InetSocketAddress(host, port), connectionTimeout);
        //设置读取超时时间
        socket.setSoTimeout(soTimeout);
        //获取socket原始输入输出流
        outputStream = new RedisOutputStream(socket.getOutputStream());
        inputStream = new RedisInputStream(socket.getInputStream());
      } catch (IOException ex) {
        broken = true;
        throw new JedisConnectionException(ex);
      }
    }
  }

每次链接到远程Redis服务器后，第一个命令就是发送密钥命令，这是一个BinaryClient的重写方法，方法里还是调用父类Connection的connect方法。

  @Override
  public void connect() {
    if (!isConnected()) {
      super.connect();
      if (password != null) {
        auth(password);
        getStatusCodeReply();
      }
      if (db > 0) {
        select(Long.valueOf(db).intValue());
        getStatusCodeReply();
      }
    }
  }

在每次发送一个命令后,都会去获取返回码。

  public String set(final String key, String value) {
    checkIsInMultiOrPipeline();
    client.set(key, value);
    return client.getStatusCodeReply();
  }

在取状态码时，每次都去刷新通道。读取数据流最终通过SocketInputStream 类来读取。

 public String getStatusCodeReply() {
    flush();
    pipelinedCommands--;
    final byte[] resp = (byte[]) readProtocolWithCheckingBroken();
    if (null == resp) {
      return null;
    } else {
      return SafeEncoder.encode(resp);
    }
  }

3. jedis的使用

     jedis的使用方法很简单：

         // 创建Redis客户端
        Jedis jedis = new Jedis("192.168.58.99", 6379);
        // 调用set 命令,返回状态标记
        String code=jedis.set("s", "xxx");
        System.out.println("code="+code);
        // 调用get命令
        String s =jedis.get("s");
        System.out.println("s="+s);

    上面代码中只用到了包含ip和端口两个参数的构造函数，更常用的是包含四个参数的构造函数：

  public Jedis(final String host, final int port, final int connectionTimeout, final int soTimeout) 
// connectionTimeout 表示客户端连接超时
// soTimeout 表示客户端读写超时
3.1 为什么要用jedis连接池？

     虽然基于内存的Redis数据库有着超高的性能，但是底层的网络通信却占用了一次数据请求的大量时间，因为每次数据交互都需要先建立连接，假设一次数据交互总共用时30ms，超高性能的Redis数据库处理数据所花的时间可能不到1ms，也即是说前期的连接占用了29ms，上面介绍的jedis直连方式，也就是每次new jedis都会新建tcp连接，使用后再断开连接，这对于频繁访问redis的场景显然不是高效的使用方式。连接池则可以实现在客户端建立多个链接并且不释放，当需要使用连接的时候通过一定的算法获取已经建立的连接，使用完了以后则还给连接池，这就免去了数据库连接所占用的时间。因此，通常会使用连接池的方式对Jedis连接进行管理，所有jedis对象会预先放在池子中（JedisPool），每次要连接redis，只需要在池子中借，用完了再归还给池子。


image.png
image.png

      客户端连接Redis使用的是TCP协议，直连的方式每次需要建立TCP连接，而连接池的方式是可以预先初始化好jedis连接，每次只需要从jedis连接池借用即可，借用和归还操作是在本地进行的，只有少量的并发同步开销，远远小于新建tcp连接的开销。此外，连接池的方式可以有效保护和控制资源的使用，而直连的方式无法限制jedis对象的个数，并且可能存在连接泄漏的情况。


image.png

      Jedis提供了JedisPool这个类作为Jedis的连接池，同时使用Apache的通用对象池工具common-pool作为资源的管理工具。JedisPoolConfig继承了GenericObjectPoolConfig,提供了很多参数配置：

  • maxActive: 控制一个pool可分配多少个jedis实例,如果pool已经分配了maxActive个jedis实例，此时pool的状态为exhausted。
  • maxIdle: 控制一个pool最多有多少个状态为idle的jedis实例。（如果超出了这个阈值，会close掉超出的连接）
  • whenExhaustedAction: 表示当pool中的jedis实例被allocated完时，pool要采取的操作：默认有三种：
          WHEN_EXHAUSTED_FAIL : 表示无jedis实例时，直接抛出NoSuchElementException，
          WHEN_EXHAUSTED_BLOCK 表示阻塞住，达到maxWait时抛出，JedisConnectionException
          WHEN_EXHAUSTED_GROW 表示新建一个jedis实例，设置的maxActive无用。
  • maxwait： 表示borrow一个jedis实例时，最大的等待时间，如果超出等待时间，直接抛出jedisConnectionException。
  • testOnBorrow：在borrow一个jedis实例时，是否提前进行validate操作；如果为true，则使用redisPING PONG命令测试redis连接是否有效,保证得到的jedis实例均是可用的；
  • testOnReturn：在return给pool时，是否提前进行validate操作；
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import redis.clients.jedis.Jedis;
import redis.clients.jedis.JedisCommands;
import redis.clients.jedis.JedisPool;
import redis.clients.jedis.JedisPoolConfig;

public class TestJedis {
    public static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(TestJedis.class);
    // Jedispool
    JedisCommands jedisCommands;
    JedisPool jedisPool;
// common-pool 连接池配置，
    JedisPoolConfig jedisPoolConfig = new JedisPoolConfig();
    String ip = "192.168.58.99";
    int port = 6379;
    int timeout = 2000;

    public TestJedis() {
        // 初始化jedis
        // 设置配置
        jedisPoolConfig.setMaxTotal(1024);
        jedisPoolConfig.setMaxIdle(100);
        jedisPoolConfig.setMaxWaitMillis(100);
        jedisPoolConfig.setTestOnBorrow(false);
        jedisPoolConfig.setTestOnReturn(true);
        // 初始化JedisPool
        jedisPool = new JedisPool(jedisPoolConfig, ip, port, timeout);
        //
        Jedis jedis = jedisPool.getResource();

        jedisCommands = jedis;
    }

    public void setValue(String key, String value) {
        this.jedisCommands.set(key, value);
    }

    public String getValue(String key) {
        return this.jedisCommands.get(key);
    }

    public static void main(String[] args) {
        TestJedis testJedis = new TestJedis();
        testJedis.setValue("testJedisKey", "testJedisValue");
        logger.info("get value from redis:{}",testJedis.getValue("testJedisKey"));
    }

}

对于jedis对象池的原理可参考我的上一篇文章jedis对象池

3.2 jedis pipeline

     我们知道redis提供了mget、mset方法，但没有提供mdel方法，如果要实现这个功能，可以借助Pipeline来模拟批量删除，Jedis支持Pipeline特性，可以通过jedis实现。

 public void mdel(List<String> keys) {
        Jedis jedis = new Jedis("192.168.58.99");
        Pipeline pipeline = jedis.pipelined();
        for (String key : keys) {
            pipeline.del(key); // 此时命令并非真正执行
        }
        // 真正执行命令
        pipeline.sync(); // 除了pipline.sync(),还可以使用pipeline.syncAndReturnAll()将pipeline的命令进行返回。
    }
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