gitbook/Redis核心技术与实战/docs/298504.md
2022-09-03 22:05:03 +08:00

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# 加餐(四) | Redis客户端如何与服务器端交换命令和数据
你好,我是蒋德钧。
在前面的课程中我们主要学习了Redis服务器端的机制和关键技术很少涉及到客户端的问题。但是Redis采用的是典型的client-server服务器端-客户端)架构,客户端会发送请求给服务器端,服务器端会返回响应给客户端。
如果要对Redis客户端进行二次开发比如增加新的命令我们就需要了解请求和响应涉及的命令、数据在客户端和服务器之间传输时是如何编码的。否则我们在客户端新增的命令就无法被服务器端识别和处理。
Redis使用RESPREdis Serialization Protocol协议定义了客户端和服务器端交互的命令、数据的编码格式。在Redis 2.0版本中RESP协议正式成为客户端和服务器端的标准通信协议。从Redis 2.0 到Redis 5.0RESP协议都称为RESP 2协议从Redis 6.0开始Redis就采用RESP 3协议了。不过6.0版本是在今年5月刚推出的所以目前我们广泛使用的还是RESP 2协议。
这节课我就向你重点介绍下RESP 2协议的规范要求以及RESP 3相对RESP 2的改进之处。
首先,我们先来看下客户端和服务器端交互的内容包括哪些,毕竟,交互内容不同,编码形式也不一样。
## 客户端和服务器端交互的内容有哪些?
为了方便你更加清晰地理解RESP 2协议是如何对命令和数据进行格式编码的我们可以把交互内容分成客户端请求和服务器端响应两类
* 在客户端请求中客户端会给Redis发送命令以及要写入的键和值
* 而在服务器端响应中Redis实例会返回读取的值、OK标识、成功写入的元素个数、错误信息以及命令例如Redis Cluster中的MOVE命令
其实,这些交互内容还可以再进一步细分成七类,我们再来了解下它们。
1. **命令**这就是针对不同数据类型的操作命令。例如对String类型的SET、GET操作对Hash类型的HSET、HGET等这些命令就是代表操作语义的字符串。
2. **键**:键值对中的键,可以直接用字符串表示。
3. **单个值**对应String类型的数据数据本身可以是字符串、数值整数或浮点数布尔值True或是False等。
4. **集合值**对应List、Hash、Set、Sorted Set类型的数据不仅包含多个值而且每个值也可以是字符串、数值或布尔值等。
5. **OK回复**对应命令操作成功的结果就是一个字符串的“OK”。
6. **整数回复**这里有两种情况。一种是命令操作返回的结果是整数例如LLEN命令返回列表的长度另一种是集合命令成功操作时实际操作的元素个数例如SADD命令返回成功添加的元素个数。
7. **错误信息**命令操作出错时的返回结果包括“error”标识以及具体的错误信息。
了解了这7类内容都是什么下面我再结合三个具体的例子帮助你进一步地掌握这些交互内容。
先看第一个例子,来看看下面的命令:
```
#成功写入String类型数据返回OK
127.0.0.1:6379> SET testkey testvalue
OK
```
这里的交互内容就包括了**命令**SET命令、**键(**String类型的键testkey和**单个值**String类型的值testvalue而服务器端则直接返回一个**OK回复**。
第二个例子是执行HSET命令
```
#成功写入Hash类型数据返回实际写入的集合元素个数
127.0.0.1:6379>HSET testhash a 1 b 2 c 3
(integer) 3
```
这里的交互内容包括三个key-value的Hash**集合值**a 1 b 2 c 3而服务器端返回**整数回复**3表示操作成功写入的元素个数。
最后一个例子是执行PUT命令如下所示
```
#发送的命令不对,报错,并返回错误信息
127.0.0.1:6379>PUT testkey2 testvalue
(error) ERR unknown command 'PUT', with args beginning with: 'testkey', 'testvalue'
```
可以看到,这里的交互内容包括**错误信息,**这是因为Redis实例本身不支持PUT命令所以服务器端报错“error”并返回具体的错误信息也就是未知的命令“put”。
好了到这里你了解了Redis客户端和服务器端交互的内容。接下来我们就来看下RESP 2是按照什么样的格式规范来对这些内容进行编码的。
## RESP 2的编码格式规范
RESP 2协议的设计目标是希望Redis开发人员实现客户端时简单方便这样就可以减少客户端开发时出现的Bug。而且当客户端和服务器端交互出现问题时希望开发人员可以通过查看协议交互过程能快速定位问题方便调试。为了实现这一目标RESP 2协议采用了可读性很好的文本形式进行编码也就是通过一系列的字符串来表示各种命令和数据。
不过交互内容有多种而且实际传输的命令或数据也会有很多个。针对这两种情况RESP 2协议在编码时设计了两个基本规范。
1. 为了对不同类型的交互内容进行编码RESP 2协议实现了5种编码格式类型。同时为了区分这5种编码类型RESP 2使用一个专门的字符作为每种编码类型的开头字符。这样一来客户端或服务器端在对编码后的数据进行解析时就可以直接通过开头字符知道当前解析的编码类型。
2. RESP 2进行编码时会按照单个命令或单个数据的粒度进行编码并在每个编码结果后面增加一个换行符“\\r\\n”有时也表示成CRLF表示一次编码结束。
接下来我就来分别介绍下这5种编码类型。
**1.简单字符串类型RESP Simple Strings**
这种类型就是用一个字符串来进行编码比如请求操作在服务器端成功执行后的OK标识回复就是用这种类型进行编码的。
当服务器端成功执行一个操作后返回的OK标识就可以编码如下
```
+OK\r\n
```
**2.长字符串类型RESP Bulk String**
这种类型是用一个二进制安全的字符串来进行编码。这里的二进制安全其实是相对于C语言中对字符串的处理方式来说的。我来具体解释一下。
Redis在解析字符串时不会像C语言那样使用“`\0`”判定一个字符串的结尾Redis会把 “`\0`”解析成正常的0字符并使用额外的属性值表示字符串的长度。
举个例子对于“Redis\\0Cluster\\0”这个字符串来说C语言会解析为“Redis”而Redis会解析为“Redis Cluster”并用len属性表示字符串的真实长度是14字节如下图所示
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/b4/7a/b4e98e2ecf00b42098a790cec363fc7a.jpg?wh=2472*1380)
这样一来,字符串中即使存储了“`\0`”字符也不会导致Redis解析到“`\0`”时,就认为字符串结束了从而停止解析,这就保证了数据的安全性。和长字符串类型相比,简单字符串就是非二进制安全的。
长字符串类型最大可以达到512MB所以可以对很大的数据量进行编码正好可以满足键值对本身的数据量需求所以RESP 2就用这种类型对交互内容中的键或值进行编码并且使用“`$`”字符作为开头字符,`$`字符后面会紧跟着一个数字,这个数字表示字符串的实际长度。
例如我们使用GET命令读取一个键假设键为testkey的值假设值为testvalue服务端返回的String值编码结果如下其中`$`字符后的9表示数据长度为9个字符。
```
$9 testvalue\r\n
```
**3.整数类型RESP Integer**
这种类型也还是一个字符串但是表示的是一个有符号64位整数。为了和包含数字的简单字符串类型区分开整数类型使用“`:`”字符作为开头字符,可以用于对服务器端返回的整数回复进行编码。
例如在刚才介绍的例子中我们使用HSET命令设置了testhash的三个元素服务器端实际返回的编码结果如下
```
:3\r\n
```
**4.错误类型RESP Errors**
它是一个字符串包括了错误类型和具体的错误信息。Redis服务器端报错响应就是用这种类型进行编码的。RESP 2使用“`-`”字符作为它的开头字符。
例如在刚才的例子中我们在redis-cli执行PUT testkey2 testvalue命令报错服务器端实际返回给客户端的报错编码结果如下
```
-ERR unknown command `PUT`, with args beginning with: `testkey`, `testvalue`
```
其中ERR就是报错类型表示是一个通用错误ERR后面的文字内容就是具体的报错信息。
**5.数组编码类型RESP Arrays**
这是一个包含多个元素的数组其中元素的类型可以是刚才介绍的这4种编码类型。
在客户端发送请求和服务器端返回结果时数组编码类型都能用得上。客户端在发送请求操作时一般会同时包括命令和要操作的数据。而数组类型包含了多个元素所以就适合用来对发送的命令和数据进行编码。为了和其他类型区分RESP 2使用“`*`”字符作为开头字符。
例如我们执行命令GET testkey此时客户端发送给服务器端的命令的编码结果就是使用数组类型编码的如下所示
```
*2\r\n$3\r\nGET\r\n$7\r\ntestkey\r\n
```
其中,**第一个`*`字符标识当前是数组类型的编码结果**2表示该数组有2个元素分别对应命令GET和键testkey。命令GET和键testkey都是使用长字符串类型编码的所以用`$`字符加字符串长度来表示。
类似地,当服务器端返回包含多个元素的集合类型数据时,也会用`*`字符和元素个数作为标识,并用长字符串类型对返回的集合元素进行编码。
好了到这里你了解了RESP 2协议的5种编码类型和相应的开头字符我在下面的表格里做了小结你可以看下。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/46/ce/4658d36cdb64a846fe1732a29c45b3ce.jpg?wh=2565*288)
Redis 6.0中使用了RESP 3协议对RESP 2.0做了改进,我们来学习下具体都有哪些改进。
## RESP 2的不足和RESP 3的改进
虽然我们刚刚说RESP 2协议提供了5种编码类型看起来很丰富其实是不够的。毕竟基本数据类型还包括很多种例如浮点数、布尔值等。编码类型偏少会带来两个问题。
一方面在值的基本数据类型方面RESP 2只能区分字符串和整数对于其他的数据类型客户端使用RESP 2协议时就需要进行额外的转换操作。例如当一个浮点数用字符串表示时客户端需要将字符串中的值和实际数字值比较判断是否为数字值然后再将字符串转换成实际的浮点数。
另一方面RESP 2用数组类别编码表示所有的集合类型但是Redis的集合类型包括了List、Hash、Set和Sorted Set。当客户端接收到数组类型编码的结果时还需要根据调用的命令操作接口来判断返回的数组究竟是哪一种集合类型。
我来举个例子。假设有一个Hash类型的键是testhash集合元素分别为a:1、b:2、c:3。同时有一个Sorted Set类型的键是testzset集合元素分别是a、b、c它们的分数分别是1、2、3。我们在redis-cli客户端中读取它们的结果时返回的形式都是一个数组如下所示
```
127.0.0.1:6379>HGETALL testhash
1) "a"
2) "1"
3) "b"
4) "2"
5) "c"
6) "3"
127.0.0.1:6379>ZRANGE testzset 0 3 withscores
1) "a"
2) "1"
3) "b"
4) "2"
5) "c"
6) "3"
```
为了在客户端按照Hash和Sorted Set两种类型处理代码中返回的数据客户端还需要根据发送的命令操作HGETALL和ZRANGE来把这两个编码的数组结果转换成相应的Hash集合和有序集合增加了客户端额外的开销。
从Redis 6.0版本开始RESP 3协议增加了对多种数据类型的支持包括空值、浮点数、布尔值、有序的字典集合、无序的集合等。RESP 3也是通过不同的开头字符来区分不同的数据类型例如当开头第一个字符是“`,`”,就表示接下来的编码结果是浮点数。这样一来,客户端就不用再通过额外的字符串比对,来实现数据转换操作了,提升了客户端的效率。
## 小结
这节课我们学习了RESP 2协议。这个协议定义了Redis客户端和服务器端进行命令和数据交互时的编码格式。RESP 2提供了5种类型的编码格式包括简单字符串类型、长字符串类型、整数类型、错误类型和数组类型。为了区分这5种类型RESP 2协议使用了5种不同的字符作为这5种类型编码结果的第一个字符分别是`+`、 `$`、:、-和\*。
RESP 2协议是文本形式的协议实现简单可以减少客户端开发出现的Bug而且可读性强便于开发调试。当你需要开发定制化的Redis客户端时就需要了解和掌握RESP 2协议。
RESP 2协议的一个不足就是支持的类型偏少所以Redis 6.0版本使用了RESP 3协议。和RESP 2协议相比RESP 3协议增加了对浮点数、布尔类型、有序字典集合、无序集合等多种类型数据的支持。不过这里有个地方需要你注意Redis 6.0只支持RESP 3对RESP 2协议不兼容所以如果你使用Redis 6.0版本需要确认客户端已经支持了RESP 3协议否则将无法使用Redis 6.0。
最后我也给你提供一个小工具。如果你想查看服务器端返回数据的RESP 2编码结果就可以使用telnet命令和redis实例连接执行如下命令就行
```
telnet 实例IP 实例端口
```
接着你可以给实例发送命令这样就能看到用RESP 2协议编码后的返回结果了。当然你也可以在telnet中向Redis实例发送用RESP 2协议编写的命令操作实例同样能处理你可以课后试试看。
## 每课一问
按照惯例我给你提个小问题假设Redis实例中有一个List类型的数据key为mylistvalue是使用LPUSH命令写入List集合的5个元素依次是1、2、3.3、4、hello当执行LRANGE mylist 0 4命令时实例返回给客户端的编码结果是怎样的
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