redis如何实现发布/订阅功能？

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Redis 的发布/订阅（Pub/Sub）功能是一种基于消息的通信模式，允许客户端通过频道（Channel）或模式（Pattern）实时传递消息。以下是其实现原理和核心机制的深度分析：

一、Pub/Sub 的核心概念

角色：
- 发布者（Publisher）：向频道发送消息的客户端。
- 订阅者（Subscriber）：订阅频道并接收消息的客户端。
- 频道（Channel）：消息传递的媒介，订阅者需明确指定订阅的频道。
- 模式（Pattern） ：支持通配符（如 news.*）的批量订阅方式。
特点：
- 实时性：消息即发即收，无持久化（消息不存储，离线订阅者无法获取历史消息）。
- 无状态：Redis 不跟踪订阅者状态，仅负责消息路由。

二、底层实现机制

1. 数据结构

Redis 使用 字典（Hash Table） 和链表管理 Pub/Sub 的订阅关系：

频道订阅字典 ：pubsub_channels
- Key：频道名称（如 news.sports）。
- Value：订阅该频道的客户端链表（保存客户端指针）。
c 复制代码
```
struct redisServer {
    dict *pubsub_channels;  // 频道订阅字典
    list *pubsub_patterns;  // 模式订阅链表
};
```
模式订阅链表 ：pubsub_patterns
存储包含通配符的订阅关系，每个节点保存：
- 客户端指针。
- 订阅的模式（如 news.*）。

2. 订阅流程

订阅频道（SUBSCRIBE） ：
1. 检查 pubsub_channels 字典中是否存在该频道键。
2. 若不存在，创建新键并将客户端添加到链表；若存在，直接追加到链表末尾。
bash 复制代码
```
SUBSCRIBE news.sports  # 客户端订阅频道
```
订阅模式（PSUBSCRIBE） ：
1. 将客户端和模式添加到 pubsub_patterns 链表。
bash 复制代码
```
PSUBSCRIBE news.*      # 订阅所有以 `news.` 开头的频道
```

3. 发布流程（PUBLISH）

发送到频道订阅者 ：
- 在 pubsub_channels 字典中查找频道对应的客户端链表。
- 遍历链表，向每个客户端发送消息。
发送到模式匹配的订阅者 ：
- 遍历 pubsub_patterns 链表，检查频道名称是否匹配模式（如 news.sports 匹配 news.*）。
- 向匹配的客户端发送消息。
bash 复制代码
```
PUBLISH news.sports "Match started!"  # 发布消息到频道
```

4. 取消订阅

取消频道（UNSUBSCRIBE）：从链表中移除客户端，若链表为空则删除频道键。
取消模式（PUNSUBSCRIBE） ：从 pubsub_patterns 链表中移除对应节点。

三、关键特性与限制

1. 实时性与无持久化

优点：消息延迟极低（通常 < 1ms）。
缺点：
- 订阅者断开连接后重新上线无法获取错过的消息。
- 消息无备份，Redis 崩溃后消息丢失。

2. 性能表现

时间复杂度 ：
- 发布：O(N+M)，其中 N 是频道订阅者数量，M 是匹配的模式订阅者数量。
- 订阅/取消订阅：O(1)。
吞吐量：单节点可支持约 10万/秒的 Pub/Sub 操作（依赖消息大小和客户端数量）。

3. 与 Stream 的对比

特性	Pub/Sub	Stream
消息持久化	不支持	支持（消息存储在内存中）
消费者状态	无状态	支持消费者组和消息确认（ACK）
回溯消费	不可行	支持读取历史消息
适用场景	实时通知、事件广播	消息队列、日志收集

四、应用场景与示例

1. 实时通知系统

bash 复制代码

# 订阅者A
SUBSCRIBE notifications

# 订阅者B（通配符订阅）
PSUBSCRIBE notifications.*

# 发布者
PUBLISH notifications "New message!"  # 所有订阅者收到消息

2. 聊天室

python 复制代码

# Python 发布示例
import redis
r = redis.Redis()
r.publish('chat:room1', 'Hello, everyone!')

# 订阅者（需另启线程监听）
pubsub = r.pubsub()
pubsub.subscribe('chat:room1')
for message in pubsub.listen():
    print(message['data'])

3. 微服务间事件驱动

服务A 发布订单创建事件：
bash 复制代码
```
PUBLISH order:created "{id: 123, user: 'Alice'}"
```
服务B 订阅事件并处理：
bash 复制代码
```
SUBSCRIBE order:created
```

五、生产环境注意事项

避免频道过载 ：
- 单个频道的订阅者不宜过多（建议 < 1万），否则发布时遍历链表开销大。
网络带宽控制 ：
- 大消息（如 > 1KB）会阻塞网络，建议拆分或改用 Stream。
客户端重连机制 ：
- 订阅者需实现断线自动重订阅逻辑（如监听 connect 事件）。

监控：

使用 PUBSUB CHANNELS 查看活跃频道：

bash 复制代码

PUBSUB CHANNELS "news.*"  # 统计匹配模式的频道
PUBSUB NUMSUB news.sports # 查看频道订阅数

六、高级用法

1. 集群模式下的 Pub/Sub

Redis 集群中，Pub/Sub 消息仅在当前节点广播，无法跨节点。
解决方案：
- 所有订阅者连接到同一节点。
- 使用全局消息代理（如 Redis 的 Sharded Pub/Sub 或第三方工具）。

2. 结合 Lua 脚本

通过脚本实现条件发布：

lua 复制代码

-- 仅当条件满足时发布消息
if redis.call("GET", "flag") == "1" then
    redis.call("PUBLISH", "alerts", "Triggered!")
end

总结

Redis 的 Pub/Sub 通过 字典 + 链表 的轻量级设计，实现了高效的消息广播，适合实时性要求高但容忍消息丢失的场景。对于需要持久化或可靠消费的场景，应选择 Stream 或专业消息队列（如 Kafka）。合理使用 Pub/Sub 可以构建灵活的实时通信系统，但需注意其无状态特性带来的局限性。