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by smallnest

Redis 6.0 客户端缓存特性及实践

Redis 6.0 发布了。

Redis 6.0的新特性也是在一步步的讨论和优化中确定的。

很多的特性已经在之前的RC等版本中介绍过了。

但是正式GA版中也有一些新的变化:

@antirez 提到只是Redis历史上最大的一次版本更新，所以谨慎建议在应用的产品中还是多多测试评估，并且承诺一旦遇到大的bug就会紧急发布6.0.1版。果不其然，一天后就发布了 6.0.1版，修复了一个allocator的bug，这个bug是为了优化而引入的，现在暂时去掉了。

I just released Redis 6.0.1. Unfortunately there was a bug in Redis 6.0.0 introduced just a few days before the release, that only happens when using the non-default allocator (libc malloc in this case triggers it). Optimization reverted, 6.0.1 released. Sorry for the issue.

本文主要关注Client side caching(客户端缓存)这一特性。

smallnest/RESP3 是Redis RESP3协议的解析库，你可以使用它和Redis底层通讯，或者包装它实现新版的Redis client库或者Redis Server端。

一年前，当 @antirez 参加完纽约Redis大会后，5:30就在旅店中醒来了，面对曼哈顿街头的美丽景色，在芸芸众生中思索Redis的未来。包括客户端缓存。

其实，客户端缓存特性是收到Redis Conf 2018的Ben Malec的影响，一下子打开了 @antirez 思路。 我们知道， 很多公司使用Redis做缓存系统，并且很好的提高了数据访问的性能，但是很多企业为了进一步应对热点数据，还是会在redis的client端缓存一部分热点数据，用来应对吃瓜事件。比如在微博我们经常遇到的是明星出轨、明星分分合合、突发事件等等，每年都会有几次突发的事件，微博除了使用Redis做缓存避免直接访问数据库，还会在前面加更多的cache层，比如L1 cache等，采用memcached等产品作为热数据的缓存。那么就有一个问题，如何能够及时的同步这些cache和redis的数据呢？Ben提供了非常有意思的想法。

伫立在曼哈顿的街头,@antirez 陷入了沉思，后来回到旅馆他开始实现初版的客户端的缓存。当然，最终Redis 6.0中实现和这个初版的实现差别很大，但是很是显然，从客户端的演化过程中我们还是能看到@antirez对这个特性所在的权衡(trade off)。关于这个历史本文不做太多的介绍，因为我们更关注于这个特性最终是什么样子的。

Redis实现的是一个服务端协助的客户端缓存，叫做tracking。客户端缓存的命令是:

1
CLIENT TRACKING ON|OFF [REDIRECT client-id] [PREFIX prefix] [BCAST] [OPTIN] [OPTOUT] [NOLOOP]

当tracking开启时， Redis会"记住"每个客户端请求的key，当key的值发现变化时会发送失效信息给客户端(invalidation message)。失效信息可以通过RESP3协议发送给请求的客户端，或者转发给一个不同的连接(支持RESP2+ Pub/Sub)。
当广播模式(broadcasting)开启时，参与tracking的客户端会收到它通过前缀订阅的key的相关的通知，即使它没请求过对应的key。同时还提供了OPTIN、OPTOUT等模式。

失效消息：当一个key的数据有修改的时候，需要告诉客户端它以前缓存的数据失效了，这时redis会主动发送一条失效消息

  • REDIRECT : 将失效消息转发给另外一个客户端。当我们不使用RESP3而是使用老的RESP2和Redis通讯时，client本身不支持处理失效消息，所以可以开启一个支持Pub/Sub客户端处理失效消息。当然如果客户端支持RESP3也可以将失效消息转发给另外一个客户端。这个cace我们放在最后演示。
  • BCAST: 使用广播模式开始tracking。在这种模式下客户端需要设置将track的key的前缀，这些key的失效消息会广播给所有参与的客户端，不管这些客户端是否请求/缓存额这些key。不开始广播模式时，Redis只会track那些只读命令请求的key，并且只会报告一次失效消息。
  • PREFIX : 只应用了广播模式，注册一个key的前缀。所有以这个前缀开始的key有修改时，都会发送失效消息。可以注册多个前缀。如果不设置前缀，那么广播模式会track每一个key。
  • OPTIN: 当广播模式没有激活时，正常不会track只读命令的key，除非它们在CLIENT CACHING yes之后被调用。
  • OPTOUT: 当广播模式没有激活时，正常会track只读命令的key，除非它们在CLIENT CACHING off之后被调用。
  • NOLOOP: 不发送client自己修改的key。

下面让我们一一介绍每个选项。

测试环境搭建

首先让我们介绍RESP3协议相关的选项，REDIRECT <id>放在最后介绍。

在尝试之前，你首先需要安装一个redis 6.x的版本，目前时6.0.1。在官方网站上有源代码的下载，编译安装也很简单：

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4
make distclean
make
make test
sudo make install

相信很快就有编译好的二进制包可以下载。

启动server, 它会在6379端口启动一个服务:

1
redis-server

使用redis-cli访问,默认访问本机的6379实例:

1
redis-cli

当然你可以通过-h查看额外的参数配置，比如使用其它端口等等，这里我们使用最简单的例子，重点是了解客户端缓存的特性。

有时候为了更好的观察redis的返回结果，我们使用telnet而不是redis-cli作为client连接redis，因为redis-cli对结果做了处理，尤其是失效消息，你可能无法观测到。

BCAST 广播模式 (client tracking on)

启动redis server:

启动redis-cli:

当然，我们使用telnet来测试，方便观察redis的返回结果，刚才redis-cli用来更新key值，辅助测试。
连接上之后发送hello 3开启RESP3协议：

telnet client
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15
➜  ~ telnet localhost 6379
Trying ::1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
hello 3
%7
$6
server
$5
redis
$7
version
$5
6.0.1
......

之后尝试开启tracking并读取a的值:

telnet client
1
2
3
4
5
6
7
client tracking on
+OK
set a 1
+OK
get a
$1
1

这个时候如果使用redis-cli作为另外一个client更新a的值，telnet这个client应该能获得通知:

redis-cli client
1
2
127.0.0.1:6379> set a 2
OK

观察telnet，它收到了一个失效消息：

telnet client
1
2
3
4
5
6
>2
$10
invalidate
*1
$1
a

注意它采用RESP3中的PUSH类型(>)。

如果这个使用你再使用redis-cli更新a的值，telnet不会再收到失效消息。 除非telnet client再get a一次，重新tracking a的值。

可以随时取消tracking:

telnet client
1
client tracking off

tracking特定前缀的key (client tracking on)

上面的方式会tracking所有的key，如果你只想跟踪特定的key, 目前redis提供了一种方式，也就是前缀匹配的方式。你可以只tracking特定前缀的key。
它值应用了广播模式。

使用telnet client设定前缀和开启tracking：

telnet client
1
2
3
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6
7
hello 3
.......
client tracking on prefix a bcast
+OK
client tracking on prefix user bcast
+OK

我们tracking两个前缀，以a开头的所有的key和以user开头的所有的key,所有a开头的所有的key和以user开头的所有的key(包括a和user)的key变动时它应该都收到消息。

然后我们使用redis-cli更新三个key: abc、user:32432723213和feed:6532343243432:

redis-cli
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3
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6
127.0.0.1:6379> set abc 100
OK
127.0.0.1:6379> set user:32432723213 good
OK
127.0.0.1:6379> set feed:6532343243432 abc
OK

telnet client收到abc和user:32432723213的失效消息,而不会收到feed:6532343243432的失效消息：

telnet client
1
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12
>2
$10
invalidate
*1
$3
abc
>2
$10
invalidate
*1
$16
user:32432723213

你可以通过client tracking off停止客户端缓存。目前貌似不能只停止对单个的前缀的tracking。 即使你使用client tracking off prefix user也是取消对所有的key的tracking。

src/networking.c
1
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5
......
} else if (!strcasecmp(c->argv[2]->ptr,"off")) {
    disableTracking(c);
} else {
......

选择加入

如果使用OPTIN,可以有选择的开启tracking。 只有你发送client caching yes之后的下一条的只读命令的key才会tracking, 否则其它的只读命令中的key不会tracking。

首先我们开始optin，读取a的指，这个时候使用redis-cli client修改a的值为1000，我们并没有收到a的失效消息。

telnet client
1
2
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4
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6
client tracking on optin
+OK
get a
$1
2

接下来我们发送client caching yes，紧接着获取a的值，这个时候如果再修改a的值，你就可以收到一条a的失效消息:

telnet client
1
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10
11
12
client caching yes
+OK
get a
$4
1000
>2
$10
invalidate
*1
$1
a

必须是紧跟着client caching yes吗?是的，比如发送下面的命令，只会tracking b,而不是a:

telnet client
1
2
3
4
5
6
7
client caching yes
+OK
get b
_
get a
$4
2000

选择退出

如果使用OPTOUT,你也可以有选择的退出tracking。 只有你发送client caching off之后的下一条的只读命令的key才会停止tracking, 否则其它的只读命令中的key都会被tracking。

可以看到它和OPTIN正好相反，你可以根据你的场景来选择。

比如下面的例子，开启OPTOUT之后，对任意的key的变动都收到失效消息：

telnet client
1
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12
client tracking on optout
+OK
get a
$4
3000
>2
$10
invalidate
*1
$1
a

这个时候如果我们想排除b这个key，可以只针对它进行设置:

telnet client
1
2
3
4
5
client caching no
+OK
get b
$1
3

之后对b的变动并不会收到b的失效消息。

注意: OPTIN和OPTOUT是针对的非BCAST场景，也就是只有你发送了key的只读命令后，才会跟踪相应的key。而广播模式是无论你是否发送过key的只读命令，只要redis修改了key，都会发送相应key(或者匹配前缀的key)的失效消息。

NOLOOP

正常设置时，失效消息是发给所有参与的client，但是如果设置了NOLOOP,则不会发送给更新这个key的client。

telnet client
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18
client tracking on bcast noloop
+OK
set a 1
+OK
client tracking off
+OK
client tracking on bcast
+OK
set a 1
+OK
>2
$10
invalidate
*1
$1
a

注意，取消tracking只需调用client tracking off即可。

REDIRECT

最后，让我们看一下转发消息的处理。这是为了兼容RESP2协议一个处理方式，将失效消息转发给另外一个client。

首先我们查看redis-cli的client id:

redis-cli
1
2
127.0.0.1:6379> client list
id=4 addr=127.0.0.1:61017 fd=8 name= age=33103 idle=0 flags=N db=0 sub=0 psub=0 multi=-1 qbuf=26 qbuf-free=32742 obl=0 oll=0 omem=0 events=r cmd=client user=default

使用telnet连接redis,查看client id:

telnet client
1
2
client id
:12

telnet 客户端开启订阅失效消息：

telnet client
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5
6
7
SUBSCRIBE __redis__:invalidate
*3
$9
subscribe
$20
__redis__:invalidate
:1

然后我们就可以将redis-cli的失效消息转发给telnet client:

redis-cli
1
2
3
4
client tracking on bcast redirect 12
127.0.0.1:6379> set a 1000
OK

可以看到telnet客户端收到了失效消息：

telnet client
1
2
3
4
5
6
7
8
*3
$7
message
$20
__redis__:invalidate
*1
$1
a

如果你要转发的目的client开启了RESP3协议，你就不需要RESP3 Pub/Sub了，因为RESP3原生支持Push消息。

redis的tracking feature的实现代码在:tracking.c。

参考文档

  1. https://www.youtube.com/watch?v=kliQLwSikO4
  2. http://antirez.com/news/130
  3. https://groups.google.com/d/msg/redis-db/xfcnYkbutDw/kTwCozpBBwAJ