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实现一个 Java 版的 Redis

高洛峰

发布： 2018-05-30 13:56:00

原创

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最近看了 redis 的代码,感觉还是挺简单的.有冲动想用其它语言实现(抄)一个.原来想用 python 实现来着.后来想想试试 netty.原因有二

第一:Java 的NIO 和Netty 的 EventLoop 配合起来和 Redis 的网络模型很接近.都是 Ractor 模型.甚至 Redis的模型更简单--只有一个 EventLoop 线程.写(抄)起来更方便

第二:Netty 架构挺不错.借这个机会学习一下.

如果我们从一个很抽象(简单)的角度看 Redis Server.就是一个监听在6379的程序, 本质上是一个处理单线线请求的 Hashtable. 而 Redis 的协议也是非常非常的简单.比 http 协议可简单多了.

以下是这个协议的一般形式：

*<参数数量> CR LF
$<参数 1 的字节数量> CR LF<参数 1 的数据> CR LF
...
$<参数 N 的字节数量> CR LF<参数 N 的数据> CR LF

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这基本就是一个很简单的有限状态机.

所以我给我们的命令解析器设置3个状态.

public enum State {
    NUMBER_OF_ARGS,
    NUMBER_BYTE_OF_ARGS,
    ARGS_DATA
}

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我们将初始状态设置NUMBER_OF_ARGS 也就是开始那个绿色的状态.当有数据到达时.我们不停的判断程序的状态.是哪个状态,我们做啥.

while(true){    switch (state()){        case NUMBER_OF_ARGS:
            //从当前数据中读取参数个数
            break;        case NUMBER_BYTE_OF_ARGS:
            //从数据中读取参数长度
            break;        case ARGS_DATA:
            //按参数长度读取参数
            //判断参数个数.如果到了最后一个.则跳出,否则状态转回NUMBER_BYTE_OF_ARGS
            break;
    }
}

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下面我们按着我们上面思路实现一下.

package me.yunanw.redisinjava;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.handler.codec.DecoderException;
import io.netty.handler.codec.ReplayingDecoder;import java.util.List;
/**
 * Created by yunanw on 2016/10/15.
 */
 public class CommandDecoder extends ReplayingDecoder {    
 public enum State {
        NUMBER_OF_ARGS,
        NUMBER_BYTE_OF_ARGS,
        ARGS_DATA
    }    
    static final char CR = &#39;\r&#39;;    
    static final char LF = &#39;\n&#39;;    
    public CommandDecoder(){

        state(State.NUMBER_OF_ARGS);
    }    
    protected void decode(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, ByteBuf byteBuf, List list) throws Exception {
        RedisFrame frame = doDecode(channelHandlerContext,byteBuf,list);        
        if (frame != null){
            list.add(frame);
        }
    }    
    private RedisFrame doDecode(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, ByteBuf byteBuf, List list) throws Exception {
        RedisFrame frame = null;        
        int currentArgsLen = 0;        
        int argsCount = 0;        
        while(true){            
        switch (state()){                
        case NUMBER_OF_ARGS:                    
        if (byteBuf.readByte() != &#39;*&#39;){                        
        throw new DecoderException("can not found *");
                    }
                    argsCount = parseRedisNumber(byteBuf);
                    frame = new RedisFrame(argsCount);
                    checkpoint(State.NUMBER_BYTE_OF_ARGS);                    
                    break;                
                    case NUMBER_BYTE_OF_ARGS:                    
                    if (byteBuf.readByte() != &#39;$&#39;){                        
                    throw new DecoderException("can not found $");
                    }
                    currentArgsLen = parseRedisNumber(byteBuf);
                    checkpoint(State.ARGS_DATA);;                    
                    break;                
                    case ARGS_DATA:
                    frame.AppendArgs(byteBuf.readBytes(currentArgsLen).array());                    
                    if (byteBuf.readByte() != CR || byteBuf.readByte() != LF)                        
                    throw new DecoderException("can not found CR OR LF");                    
                    if ((--argsCount) = 0 && digit < 10)
                     {
                result = (result * 10) + digit;
            } else {                
            throw new DecoderException("Invalid character in integer");
            }
        } while ((readByte = byteBuf.readByte()) != CR);        
        if ((readByte = byteBuf.readByte()) != LF)
        {            
        throw new DecoderException("can not found LF");
        }        
        return (negative? -result:result);
    }

}

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写到这里有一个小问题,如果你上面代码看懂了,你就会发现一个小问题.如果由于网络原因,有时数据可以并没有接收完全.而我们的代码完全没有做这方面的考虑? 而 Checkpoint 这是又什么鬼?

第一个问题:

事实上我们有考虑这个问题.所以我们继承了一个相对比较特别Decoder--ReplayingDecoder.我们看一下ReplayingDecoder的 CallDecode 方法.(这个名字起的非常的直白.你一定明白他是干啥的)

</p><pre class="brush:java;toolbar:false">
try {
    decode(ctx, replayable, out);
    //省略} catch (Signal replay) {
    replay.expect(REPLAY);     //省略
    // Return to the checkpoint (or oldPosition) and retry.
    int checkpoint = this.checkpoint;    
    if (checkpoint >= 0) {        
    in.readerIndex(checkpoint);
    } else {        
    // Called by cleanup() - no need to maintain the readerIndex
        // anymore because the buffer has been released already.
    }    
    break;
}

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Signal replay 是 Netty 中定义的一个错误.当我们读取错误时,Netty 会再等到下次有数据到达时,再试一次Decode 方法.看看能再解析成功.所以我们就可以假设置我们要的数据都已经读取了.

但是要注意: replaydecoder 的 decode 方法会被反复调用..所以我们的代码中要做好这样的准备.

二: CheckPoint 就是为了防止如果每次反复调用 Decode 时从头执行,而设置的一个状态.让我们这个 decode 方法有状态.

好了.现在我们创建监部分的代码.这都是套数,直接抄下来就行了

</p><pre class="brush:java;toolbar:false">
ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
final DefaultEventExecutorGroup group = new DefaultEventExecutorGroup(1);
try {
    bootstrap.group(new NioEventLoopGroup(), new NioEventLoopGroup())
            .channel(NioServerSocketChannel.class)
            .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 100)
            .localAddress(port)
            .childOption(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
            .childHandler(new ChannelInitializer() {
                @Override                
                public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                    ChannelPipeline p = ch.pipeline();
                    p.addLast(new CommandDecoder());
                    p.addLast(new RedisServerHandler());
                }
            });    
            // Start the server.
    ChannelFuture f = bootstrap.bind().sync();    
    // Wait until the server socket is closed.
    f.channel().closeFuture().sync();
} finally {    
// Shut down all event loops to terminate all threads.
    group.shutdownGracefully();
}

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我们把 Redis 的协议解析为RedisFrame 类

</p><pre class="brush:java;toolbar:false">
package me.yunanw.redisinjava;import java.util.ArrayList;import java.util.List;
/**
 * Created by yunanw on 2016/10/17.
 */
 public class RedisFrame {    
 private int argsCount = 0;
    List ArgsData = null;    
    public RedisFrame(int argsCount){        
    this.argsCount = argsCount;        
    this.ArgsData = new ArrayList(argsCount);

    }    public void AppendArgs(byte[] args){        
    this.ArgsData.add(new String(args));
    }    public int getCommandCount(){        
    return ArgsData.size();
    }    public String GetFristCommand(){        
    if (ArgsData.size() > 0){            
    return ArgsData.get(0);
        }        
        return null;
    }    
    public String GetCommand(int index){        
    if (ArgsData.size() > index){            
    return ArgsData.get(index);
        }       
        return null;
    }
}

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好了.这时你打开 Redis-cli 试试是不是可以连上我们的 "假Redis" Server.有意的是---你打开 Redis-cli.他会自动发一个 "Command" 命令.而你不管回复什么,它都认为连上了