redis如何實現隊列的阻塞、延時、發布和訂閱

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Redis不僅可作為緩存服務器，還可以用作消息隊列。它的列表類型天生支持用作消息隊列。如下圖所示：

由于Redis的列表是使用雙向鏈表實現的，保存了頭節點和尾節點，所以在列表的頭部和尾部兩邊插入或獲取元素都是非常快的，時間復雜度為O(1)。

普通隊列

可以直接使用Redis的list數據類型實現消息隊列，只需簡單的兩個指令lpush和rpop或者rpush和lpop。

• lpush+rpop：左進右出的隊列

• rpush+lpop：左出右進的隊列

下面使用redis的命令來模擬普通隊列。
使用lpush命令生產消息：

>lpush queue:single 1"1">lpush queue:single 2"2">lpush queue:single 3"3"

使用rpop命令消費消息：

>rpop queue:single"1">rpop queue:single"2">rpop queue:single"3"

下面使用Java代碼來實現普通隊列。

生產者SingleProducer

package com.morris.redis.demo.queue.single;import redis.clients.jedis.Jedis;/**
 * 生產者
 */public class SingleProducer {

    public static final String SINGLE_QUEUE_NAME = "queue:single";

    public static void main(String[] args) {
        Jedis jedis = new Jedis();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            jedis.lpush(SINGLE_QUEUE_NAME, "hello " + i);
        }
        jedis.close();
    }}

消費者SingleConsumer：

package com.morris.redis.demo.queue.single;import redis.clients.jedis.Jedis;import java.util.Objects;import java.util.concurrent.TimeUnit;/**
 * 消費者
 */public class SingleConsumer {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Jedis jedis = new Jedis();
        while (true) {
            String message = jedis.rpop(SingleProducer.SINGLE_QUEUE_NAME);
            if(Objects.nonNull(message)) {
                System.out.println(message);
            } else {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);
            }
        }
    }}

上面的代碼已經基本實現了普通隊列的生產與消費，但是上述的例子中消息的消費者存在兩個問題：

1. 消費者需要不停的調用rpop方法查看redis的list中是否有待處理的數據（消息）。每調用一次都會發起一次連接，有可能list中沒有數據，造成大量的空輪詢，導致造成不必要的浪費。也許你可以使用Thread.sleep()等方法讓消費者線程隔一段時間再消費，如果睡眠時間過長，這樣不能處理一些時效性要求高的消息，睡眠時間過短，也會在連接上造成比較大的開銷。

2. 如果生產者速度大于消費者消費速度，消息隊列長度會一直增大，時間久了會占用大量內存空間。

阻塞隊列

消費者可以使用brpop指令從redis的list中獲取數據，這個指令只有在有元素時才返回，沒有則會阻塞直到超時返回null，于是消費端就不需要休眠后獲取數據了，這樣就相當于實現了一個阻塞隊列，

使用redis的brpop命令來模擬阻塞隊列。

>brpop queue:single 30

可以看到命令行阻塞在了brpop這里了，30s后沒數據就返回。

Java代碼實現如下：

生產者與普通隊列的生產者一致。

消費者BlockConsumer：

package com.morris.redis.demo.queue.block;import redis.clients.jedis.Jedis;import java.util.List;/**
 * 消費者
 */public class BlockConsumer {

    public static void main(String[] args) {
        Jedis jedis = new Jedis();
        while (true) {
            // 超時時間為1s
            List<String> messageList = jedis.brpop(1, BlockProducer.BLOCK_QUEUE_NAME);
            if (null != messageList && !messageList.isEmpty()) {
                System.out.println(messageList);
            }
        }
    }}

缺點：無法實現一次生產多次消費。

發布訂閱模式

Redis除了對消息隊列提供支持外，還提供了一組命令用于支持發布/訂閱模式。利用Redis的pub/sub模式可以實現一次生產多次消費的隊列。

發布：PUBLISH指令可用于發布一條消息，格式：

PUBLISH channel message

返回值表示訂閱了該消息的數量。

訂閱：SUBSCRIBE指令用于接收一條消息，格式：

SUBSCRIBE channel

使用SUBSCRIBE指令后進入了訂閱模式，但是不會接收到訂閱之前publish發送的消息，這是因為只有在消息發出去前訂閱才會接收到。在這個模式下其他指令，只能看到回復。

回復分為三種類型：

1. 如果為subscribe，第二個值表示訂閱的頻道，第三個值表示是已訂閱的頻道的數量

2. 如果為message(消息)，第二個值為產生該消息的頻道，第三個值為消息

3. 如果為unsubscribe，第二個值表示取消訂閱的頻道，第三個值表示當前客戶端的訂閱數量。

下面使用redis的命令來模擬發布訂閱模式。

生產者：

127.0.0.1:6379> publish queue hello(integer) 1127.0.0.1:6379> publish queue hi(integer) 1

消費者：

127.0.0.1:6379> subscribe queue
Reading messages... (press Ctrl-C to quit)1) "subscribe"2) "queue"3) (integer) 11) "message"2) "queue"3) "hello"1) "message"2) "queue"3) "hi"

Java代碼實現如下：

生產者PubsubProducer：

package com.morris.redis.demo.queue.pubsub;import redis.clients.jedis.Jedis;/**
 * 生產者
 */public class PubsubProducer {

    public static final String PUBSUB_QUEUE_NAME = "queue:pubsub";

    public static void main(String[] args) {
        Jedis jedis = new Jedis();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            jedis.publish(PUBSUB_QUEUE_NAME, "hello " + i);
        }
        jedis.close();
    }}

消費者PubsubConsumer：

package com.morris.redis.demo.queue.pubsub;import redis.clients.jedis.Jedis;import redis.clients.jedis.JedisPubSub;/**
 * 消費者
 */public class PubsubConsumer {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Jedis jedis = new Jedis();

        JedisPubSub jedisPubSub = new JedisPubSub() {

            @Override
            public void onMessage(String channel, String message) {
                System.out.println("receive message: " + message);
                if(message.indexOf("99") > -1) {
                    this.unsubscribe();
                }
            }

            @Override
            public void onSubscribe(String channel, int subscribedChannels) {
                System.out.println("subscribe channel: " + channel);
            }

            @Override
            public void onUnsubscribe(String channel, int subscribedChannels) {
                System.out.println("unsubscribe channel " + channel);
            }
        };

        jedis.subscribe(jedisPubSub, PubsubProducer.PUBSUB_QUEUE_NAME);
    }}

消費者可以啟動多個，每個消費者都能收到所有的消息。

可以使用指令UNSUBSCRIBE退訂，如果不加參數，則會退訂所有由SUBSCRIBE指令訂閱的頻道。

Redis還支持基于通配符的消息訂閱，使用指令PSUBSCRIBE (pattern subscribe)，例如：

psubscribe channel.*

用PSUBSCRIBE指令訂閱的頻道也要使用指令PUNSUBSCRIBE指令退訂，該指令無法退訂SUBSCRIBE訂閱的頻道，同理UNSUBSCRIBE也不能退訂PSUBSCRIBE指令訂閱的頻道。

同時PUNSUBSCRIBE指令通配符不會展開。例如：PUNSUBSCRIBE \*不會匹配到channel.\*，所以要取消訂閱channel.\*就要這樣寫PUBSUBSCRIBE channel.\*。

Redis的pub/sub也有其缺點，那就是如果消費者下線，生產者的消息會丟失。

延時隊列和優先級隊列

Redis中有個數據類型叫Zset，其本質就是在數據類型Set的基礎上加了個排序的功能而已，除了保存原始的數據value之外，還提供另一個屬性score，這一屬性在添加修改元素時候可以進行指定，每次指定后，Zset會自動重新按新的score值進行排序。

如果score字段設置為消息的優先級，優先級最高的消息排在第一位，這樣就能實現一個優先級隊列。

如果score字段代表的是消息想要執行時間的時間戳，將它插入Zset集合中，便會按照時間戳大小進行排序，也就是對執行時間先后進行排序，集合中最先要執行的消息就會排在第一位，這樣的話，只需要起一個死循環線程不斷獲取集合中的第一個元素，如果當前時間戳大于等于該元素的score就將它取出來進行消費刪除，就可以達到延時執行的目的，注意不需要遍歷整個Zset集合，以免造成性能浪費。

下面使用redis的zset來模擬延時隊列。

生產者：

127.0.0.1:6379> zadd queue:delay 1 order1 2 order2 3 order3(integer) 0

消費者：

127.0.0.1:6379> zrange queue:delay 0 0 withscores1) "order1"2) "1"127.0.0.1:6379> zrem queue:delay order1(integer) 1

Java代碼如下：

生產者DelayProducer：

package com.morris.redis.demo.queue.delay;import redis.clients.jedis.Jedis;import java.util.Date;import java.util.Random;/**
 * 生產者
 */public class DelayProducer {

    public static final String DELAY_QUEUE_NAME = "queue:delay";

    public static void main(String[] args) {
        Jedis jedis = new Jedis();
        long now = new Date().getTime();
        Random random = new Random();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int second = random.nextInt(30); // 隨機訂單失效時間
            jedis.zadd(DELAY_QUEUE_NAME, now + second * 1000, "order"+i);
        }
        jedis.close();
    }}

消費者：

package com.morris.redis.demo.queue.delay;import redis.clients.jedis.Jedis;import redis.clients.jedis.Tuple;import java.util.Date;import java.util.List;import java.util.Set;import java.util.concurrent.TimeUnit;/**
 * 消費者
 */public class DelayConsumer {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Jedis jedis = new Jedis();
        while (true) {
            long now = new Date().getTime();
            Set<Tuple> tupleSet = jedis.zrangeWithScores(DelayProducer.DELAY_QUEUE_NAME, 0, 0);
            if(tupleSet.isEmpty()) {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);
            } else {
                for (Tuple tuple : tupleSet) {
                    Double score = tuple.getScore();
                    long time = score.longValue();
                    if(time < now) {
                        jedis.zrem(DelayProducer.DELAY_QUEUE_NAME, tuple.getElement());
                        System.out.println("order[" + tuple.getElement() +"] is timeout at " + time);
                    } else {
                        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);
                    }
                    break;
                }
            }
        }
    }}

應用場景

• 延時隊列可用于訂單超時失效的場景

• 二級緩存（local+redis）中，當有緩存需要更新時，可以使用發布訂閱模式通知其他服務器使得本地緩存失效。

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