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.com/hdt3213/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
    pendingReqs 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.working.Add(1)
	defer client.working.Done()
	client.pendingReqs <- request // 请求入队
	timeout := request.waiting.WaitWithTimeout(maxWait) // 等待响应或者超时
	if timeout {
		return reply.MakeErrReply("server time out")
	}
	if request.err != nil {
		return reply.MakeErrReply("request failed")
	}
	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() {
	for req := range client.pendingReqs {
		client.doRequest(req)
	}
}

// 发送请求
func (client *Client) doRequest(req *request) {
	if req == nil || len(req.args) == 0 {
		return
	}
    // 序列化请求
	re := reply.MakeMultiBulkReply(req.args)
	bytes := re.ToBytes()
	_, err := client.conn.Write(bytes)
	i := 0
    // 失败重试
	for err != nil && i < 3 {
		err = client.handleConnectionError(err)
		if err == nil {
			_, err = client.conn.Write(bytes)
		}
		i++
	}
	if err == nil {
        // 发送成功等待服务器响应
		client.waitingReqs <- req
	} else {
		req.err = err
		req.waiting.Done()
	}
}

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) {
	defer func() {
		if err := recover(); err != nil {
			debug.PrintStack()
			logger.Error(err)
		}
	}()
	request := <-client.waitingReqs
	if request == nil {
		return
	}
	request.reply = reply
	if request.waiting != nil {
		request.waiting.Done()
	}
}

// 读协程是个 RESP 协议解析器
func (client *Client) handleRead() error {
	ch := parser.ParseStream(client.conn)
	for payload := range ch {
		if payload.Err != nil {
			client.finishRequest(reply.MakeErrReply(payload.Err.Error()))
			continue
		}
		client.finishRequest(payload.Data)
	}
	return nil
}

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))
        }
    }
}