Golang 实现 Redis(6): 实现 pipeline 模式的 redis 客户端

本文是使用 golang 实现 redis 系列的第六篇， 将介绍如何实现一个 Pipeline 模式的 Redis 客户端。

本文的完整代码在Github:Godis/redis/client

通常 TCP 客户端的通信模式都是阻塞式的: 客户端发送请求 -> 等待服务端响应 -> 发送下一个请求。因为需要等待网络传输数据，完成一次请求循环需要等待较多时间。

我们能否不等待服务端响应直接发送下一条请求呢？答案是肯定的。

TCP 作为全双工协议可以同时进行上行和下行通信，不必担心客户端和服务端同时发包会导致冲突。

p.s. 打电话的时候两个人同时讲话就会冲突听不清，只能轮流讲。这种通信方式称为半双工。广播只能由电台发送到收音机不能反向传输，这种方式称为单工。

我们为每一个 tcp 连接分配了一个 goroutine 可以保证先收到的请求先先回复。另一个方面，tcp 协议会保证数据流的有序性，同一个 tcp 连接上先发送的请求服务端先接收，先回复的响应客户端先收到。因此我们不必担心混淆响应所对应的请求。

这种在服务端未响应时客户端继续向服务端发送请求的模式称为 Pipeline 模式。因为减少等待网络传输的时间，Pipeline 模式可以极大的提高吞吐量，减少所需使用的 tcp 链接数。

pipeline 模式的 redis 客户端需要有两个后台协程程负责 tcp 通信，调用方通过 channel 向后台协程发送指令，并阻塞等待直到收到响应，这是一个典型的异步编程模式。

我们先来定义 client 的结构:

type Client struct {
    conn        net.Conn // 与服务端的 tcp 连接
    sendingReqs chan *Request // 等待发送的请求
    waitingReqs chan *Request // 等待服务器响应的请求
    ticker      *time.Ticker // 用于触发心跳包的计时器
    addr        string

    ctx        context.Context
    cancelFunc context.CancelFunc
    writing    *sync.WaitGroup // 有请求正在处理不能立即停止，用于实现 graceful shutdown
}

type Request struct {
    id        uint64 // 请求id
    args      [][]byte // 上行参数
    reply     redis.Reply // 收到的返回值
    heartbeat bool // 标记是否是心跳请求
    waiting   *wait.Wait // 调用协程发送请求后通过 waitgroup 等待请求异步处理完成
    err       error
}

调用者将请求发送给后台协程，并通过 wait group 等待异步处理完成:

func (client *Client) Send(args [][]byte) redis.Reply {
    request := &Request{
        args:      args,
        heartbeat: false,
        waiting:   &wait.Wait{},
    }
    request.waiting.Add(1) 
    client.sendingReqs <- request // 将请求发往处理队列
    timeout := request.waiting.WaitWithTimeout(maxWait) // 等待请求处理完成或者超时
    if timeout {
        return reply.MakeErrReply("server time out")
    }
    if request.err != nil {
        return reply.MakeErrReply("request failed: " + err.Error())
    }
    return request.reply
}

client 的核心部分是后台的读写协程。先从写协程开始:

// 写协程入口
func (client *Client) handleWrite() {
loop:
    for {
        select {
        case req := <-client.sendingReqs: // 从 channel 中取出请求
            client.writing.Add(1) // 未完成请求数+1
            client.doRequest(req) // 发送请求
        case <-client.ctx.Done():
            break loop
        }
    }
}

// 发送请求
func (client *Client) doRequest(req *Request) {
    bytes := reply.MakeMultiBulkReply(req.args).ToBytes() // 序列化
    _, err := client.conn.Write(bytes) // 通过 tcp connection 发送
    i := 0
    for err != nil && i < 3 { // 失败重试
        err = client.handleConnectionError(err) 
        if err == nil {
            _, err = client.conn.Write(bytes)
        }
        i++
    }
    if err == nil {
        client.waitingReqs <- req // 将发送成功的请求放入等待响应的队列
    } else {
        // 发送失败
        req.err = err
        req.waiting.Done() // 结束调用者的等待
        client.writing.Done() // 未完成请求数 -1
    }
}

读协程是我们熟悉的协议解析器模板, 不熟悉的朋友可以到实现 Redis 协议解析器了解更多。

// 收到服务端的响应
func (client *Client) finishRequest(reply redis.Reply) {
    request := <-client.waitingReqs // 取出等待响应的 request
    request.reply = reply
    if request.waiting != nil {
        request.waiting.Done() // 结束调用者的等待
    }
    client.writing.Done() // 未完成请求数-1
}

// 读协程是个 RESP 协议解析器，不熟悉的朋友可以
func (client *Client) handleRead() error {
    reader := bufio.NewReader(client.conn)
    downloading := false
    expectedArgsCount := 0
    receivedCount := 0
    msgType := byte(0) // first char of msg
    var args [][]byte
    var fixedLen int64 = 0
    var err error
    var msg []byte
    for {
        // read line
        if fixedLen == 0 { // read normal line
            msg, err = reader.ReadBytes('\n')
            if err != nil {
                if err == io.EOF || err == io.ErrUnexpectedEOF {
                    logger.Info("connection close")
                } else {
                    logger.Warn(err)
                }

                return errors.New("connection closed")
            }
            if len(msg) == 0 || msg[len(msg)-2] != '\r' {
                return errors.New("protocol error")
            }
        } else { // read bulk line (binary safe)
            msg = make([]byte, fixedLen+2)
            _, err = io.ReadFull(reader, msg)
            if err != nil {
                if err == io.EOF || err == io.ErrUnexpectedEOF {
                    return errors.New("connection closed")
                } else {
                    return err
                }
            }
            if len(msg) == 0 ||
                msg[len(msg)-2] != '\r' ||
                msg[len(msg)-1] != '\n' {
                return errors.New("protocol error")
            }
            fixedLen = 0
        }

        // parse line
        if !downloading {
            // receive new response
            if msg[0] == '*' { // multi bulk response
                // bulk multi msg
                expectedLine, err := strconv.ParseUint(string(msg[1:len(msg)-2]), 10, 32)
                if err != nil {
                    return errors.New("protocol error: " + err.Error())
                }
                if expectedLine == 0 {
                    client.finishRequest(&reply.EmptyMultiBulkReply{})
                } else if expectedLine > 0 {
                    msgType = msg[0]
                    downloading = true
                    expectedArgsCount = int(expectedLine)
                    receivedCount = 0
                    args = make([][]byte, expectedLine)
                } else {
                    return errors.New("protocol error")
                }
            } else if msg[0] == '$' { // bulk response
                fixedLen, err = strconv.ParseInt(string(msg[1:len(msg)-2]), 10, 64)
                if err != nil {
                    return err
                }
                if fixedLen == -1 { // null bulk
                    client.finishRequest(&reply.NullBulkReply{})
                    fixedLen = 0
                } else if fixedLen > 0 {
                    msgType = msg[0]
                    downloading = true
                    expectedArgsCount = 1
                    receivedCount = 0
                    args = make([][]byte, 1)
                } else {
                    return errors.New("protocol error")
                }
            } else { // single line response
                str := strings.TrimSuffix(string(msg), "\n")
                str = strings.TrimSuffix(str, "\r")
                var result redis.Reply
                switch msg[0] {
                case '+':
                    result = reply.MakeStatusReply(str[1:])
                case '-':
                    result = reply.MakeErrReply(str[1:])
                case ':':
                    val, err := strconv.ParseInt(str[1:], 10, 64)
                    if err != nil {
                        return errors.New("protocol error")
                    }
                    result = reply.MakeIntReply(val)
                }
                client.finishRequest(result)
            }
        } else {
            // receive following part of a request
            line := msg[0 : len(msg)-2]
            if line[0] == '$' {
                fixedLen, err = strconv.ParseInt(string(line[1:]), 10, 64)
                if err != nil {
                    return err
                }
                if fixedLen <= 0 { // null bulk in multi bulks
                    args[receivedCount] = []byte{}
                    receivedCount++
                    fixedLen = 0
                }
            } else {
                args[receivedCount] = line
                receivedCount++
            }

            // if sending finished
            if receivedCount == expectedArgsCount {
                downloading = false // finish downloading progress

                if msgType == '*' {
                    reply := reply.MakeMultiBulkReply(args)
                    client.finishRequest(reply)
                } else if msgType == '$' {
                    reply := reply.MakeBulkReply(args[0])
                    client.finishRequest(reply)
                }


                // finish reply
                expectedArgsCount = 0
                receivedCount = 0
                args = nil
                msgType = byte(0)
            }
        }
    }
}

最后编写 client 的构造器和启动异步协程的代码:

func MakeClient(addr string) (*Client, error) {
    conn, err := net.Dial("tcp", addr)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    ctx, cancel := context.WithCancel(context.Background())
    return &Client{
        addr:        addr,
        conn:        conn,
        sendingReqs: make(chan *Request, chanSize),
        waitingReqs: make(chan *Request, chanSize),
        ctx:         ctx,
        cancelFunc:  cancel,
        writing:     &sync.WaitGroup{},
    }, nil
}

func (client *Client) Start() {
    client.ticker = time.NewTicker(10 * time.Second)
    go client.handleWrite()
    go func() {
        err := client.handleRead()
        logger.Warn(err)
    }()
    go client.heartbeat()
}

关闭 client 的时候记得等待请求完成:

func (client *Client) Close() {
    // 先阻止新请求进入队列
    close(client.sendingReqs)

    // 等待处理中的请求完成
    client.writing.Wait()

    // 释放资源
    _ = client.conn.Close() // 关闭与服务端的连接，连接关闭后读协程会退出
    client.cancelFunc() // 使用 context 关闭读协程
    close(client.waitingReqs) // 关闭队列
}

测试一下:

func TestClient(t *testing.T) {
    client, err := MakeClient("localhost:6379")
    if err != nil {
        t.Error(err)
    }
    client.Start()

    result = client.Send([][]byte{
        []byte("SET"),
        []byte("a"),
        []byte("a"),
    })
    if statusRet, ok := result.(*reply.StatusReply); ok {
        if statusRet.Status != "OK" {
            t.Error("`set` failed, result: " + statusRet.Status)
        }
    }

    result = client.Send([][]byte{
        []byte("GET"),
        []byte("a"),
    })
    if bulkRet, ok := result.(*reply.BulkReply); ok {
        if string(bulkRet.Arg) != "a" {
            t.Error("`get` failed, result: " + string(bulkRet.Arg))
        }
    }
}