前言
实现客户端与服务端间通信，在传输层协议 TCP 或 UDP 的基础上，定义客户端与服务端都能识别信息的一套规则：一方进行编码，另一方进行解码，这便是【协议】。
在 Redis 中，定义了简单的 RESP（REdis Serialization Protocol）文本协议，接下来，我们尝试实现一款能与服务端通信的 Redis 客户端，其核心原理如市面上常见的 Redisson、Jedis 等类似。
由浅入深，理解市面上流行的开源组件会更加的得心应手。
实现
基础
1. 网络通信
我们知道，在传统计算机网络模型中，传输层（TCP / UDP）的上一层便是应用层。应用层协议一般专注于数据的编解码等约定，比如经典的 HTTP 协议。
RESP 协议本质和 HTTP 是一个级别，都属于应用层协议。
在 redis 中，传输层协议使用的是 TCP，服务端从 TCP socket 缓冲区中读取数据，然后经过 RESP 协议解码得到我们的指令。
而写入数据则是相反，服务器先将响应数据使用 RESP 编码，然后将编码后的数据写入 TCP Socket 缓冲区发送给客户端。
2. 协议格式
在 RESP 协议中，第一个字节决定了具体数据类型：
简单字符串：Simple Strings，首字节响应+错误：Errors，首字节响应-整型：Integers，首字节响应:批量字符串：Bulk Strings，首字节响应$数组：Arrays，首字节响应*
我们来看看一具体的例子，我们一条正常指令 PSETEX test_redisson_batch_key8 120000 test_redisson_batch_key=>value:8，经 RESP 协议编码后长这样：
*4
$6
PSETEX
$24
test_redisson_batch_key8
$6
120000
$32
test_redisson_batch_key=>value:8
值得注意的是，在 RESP 协议中的每一部分都是以 \R\N 结尾。
基于 Socket 实现
实现一个简单的 Redis 客户端可以使用 Java 的 Socket 编程来直接与 Redis 服务器进行通信。
Redis 使用 RESP（REdis Serialization Protocol）协议进行通信，因此我们需要按照该协议格式化请求并解析响应。
1. 创建 RedisClient 类
首先，我们创建一个 RedisClient 类，用于管理与 Redis 服务器的连接和通信。
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
public class RedisClient {
private Socket socket;
private BufferedReader reader;
private OutputStream writer;
// 连接到 Redis 服务器
// 通过 Java 的 Socket 进行连接
public RedisClient(String host, int port) throws IOException {
this.socket = new Socket(host, port);
this.reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
this.writer = socket.getOutputStream();
}
public void close() throws IOException {
reader.close();
writer.close();
socket.close();
}
// 发送命令到服务端，并读取响应
private String sendCommand(String command) throws IOException {
writer.write(command.getBytes());
writer.flush();
return parseResponse();
}
// 解析响应数据
private String parseResponse() throws IOException {
String response = reader.readLine();
if (response == null) {
throw new IOException("Empty response from server");
}
char prefix = response.charAt(0);
switch (prefix) {
case '+': // Simple String
return response.substring(1);
case '-': // Error
throw new IOException("Error response from server: " + response.substring(1));
case ':': // Integer
return response.substring(1);
case '$': // 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);
}
}
// 设置键值对
// 这里需要按照 RESP 协议进行编码数据，然后通过 sendCommand 发送
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);
}
// 获取键值对
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);
}
}
基本步骤：
- 通过 Socket 与服务端建立连接
- 指令编码（使用 RESP 协议）
- 指令发送以及解析响应数据
2. 使用 RedisClient 类
通过 RedisClient 进行通信：
public class RedisClientTest {
public static void main(String[] args) {
try {
RedisClient client = new RedisClient("localhost", 6379);
// 设置一个键值对
System.out.println(client.set("name", "神医"));
// 获取键对应的值
System.out.println(client.get("name"));
// 设置一个带有过期时间的键值对（10秒后过期）
System.out.println(client.setex("temp_key", 10, "临时值"));
// 获取带有过期时间的键值对
System.out.println(client.get("temp_key"));
// 删除一个键
System.out.println(client.del("name"));
// 尝试获取已删除的键
System.out.println(client.get("name"));
client.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
基于 Netty 实现
如果想要异步通信能力、高吞吐等能力，使用 Java Socket 实现会更加繁琐，而成熟的 Netty 组件提供了异步处理和更高级的网络通信功能，已经应用于各类组件底层通信能力，使用 Netty 实现 Redis 客户端将更容易获得这些能力。
注：常见的开源 Redis 客户端 Redisson 底层便使用 Netty 实现。
接下来我们也使用 Netty 实现 Redis 客户端：
RESP 编码器
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('$');
out.writeBytes(Integer.toString(part.length()).getBytes());
out.writeBytes("\r\n".getBytes());
out.writeBytes(part.getBytes());
out.writeBytes("\r\n".getBytes());
}
}
}
RESP 解码器
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.handler.codec.ByteToMessageDecoder;
import java.util.List;
public class RedisResponseDecoder extends ByteToMessageDecoder {
@Override
protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) {
if (!in.isReadable()) {
return;
}
byte firstByte = in.readByte();
switch (firstByte) {
case '+':
out.add(readSimpleString(in));
break;
case '-':
out.add(readError(in));
break;
case ':':
out.add(readInteger(in));
break;
case '$':
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 客户端实现
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 可以显著提高网络通信的性能和效率，同时简化开发过程，提供更好的资源管理和错误处理机制。
对于需要处理大量并发连接和高性能要求的应用程序，Netty 是一个非常好的选择。
以上是最小可用版的 Redis 客户端，你可以基于此基础上实现更丰富的功能~
