Redis 為什么要引入 Pipeline機制？十分鐘帶你掌握！
在 Redis 中有一種 Pipeline（管道）機制，其目的是提高數據傳輸效率和吞吐量。那么，Pipeline是如何工作的？它又是如何提高性能的？Pipeline有什么優缺點？我們該如何使用 Pipeline？這篇文章，我們將進行深入的探討。
一、Redis Pipeline是什么？
Redis Pipeline 是一種批量執行命令的技術，允許客戶端在不等待服務器響應的情況下，一次性發送多個命令到 Redis 服務器。傳統的請求-響應模式中，客戶端每發送一個命令，就需要等待服務器響應后才能發送下一個命令，這種模式在高延遲網絡環境下，嚴重影響 Redis 的性能表現。
Pipeline 通過消除或減少網絡往返次數（Round-Trip Time, RTT），能夠顯著提高命令執行的吞吐量，客戶端可以將多個命令打包發送，服務器則依次執行這些命令并將結果返回給客戶端，從而有效地提升了網絡利用率和整體性能。
二、為什么引入 Pipeline？
在了解 Redis為什么引入 Pipeline之前，我們先來了解傳統請求-響應模式，在傳統的請求-響應模式中，客戶端與服務器之間的通信流程如下：
- 客戶端發送一個命令到服務器。
- 服務器接收命令并執行。
- 服務器將執行結果返回給客戶端。
- 客戶端接收結果后，發送下一個命令。
為了更直觀地理解傳統的請求-響應模式，下面給出了一張流程圖：
在這種傳統的模式下，每個命令都需要經歷完整的 RTT，這在高延遲網絡環境下會導致顯著的性能瓶頸。
而 Pipeline的核心思想是“命令打包，高效傳輸”。其工作流程可以總結成下面 5個步驟：
- 打包命令: 客戶端將多個 Redis 命令按照特定的格式打包成一個請求包。
- 發送命令: 將打包好的請求一次性發送給 Redis 服務器。
- 執行命令: Redis 服務器按順序執行接收到的所有命令。
- 接收響應: 服務器將所有命令的執行結果按順序返回給客戶端。
- 解析響應: 客戶端解析接收到的響應，并將結果對應到各個命令。
為了更直觀地理解 pipeline模式，下面給出了一張流程圖：
這種方式通過減少網絡往返次數，有效降低網絡延遲對性能的影響，特別適合于需要執行大量 Redis 命令的高并發場景。
盡管 Pipeline帶來了性能的提升，但它也有一些缺點：
- 資源消耗: 發送大量命令一次性執行，可能會消耗較多的服務器資源，導致 Redis 其他操作的響應時間增加。
- 錯誤處理復雜: 在批量執行命令時，單個命令的錯誤處理可能變得復雜，需要逐一檢查每個命令的執行結果。
- 順序依賴: 如果命令之間存在順序依賴，Pipeline 的批量執行需要確保正確的命令順序。
- 不支持事務功能: Pipeline 只是批量執行命令的工具，不具備事務的原子性和隔離性。
- 客戶端支持: 不同的 Redis 客戶端對 Pipeline 的支持程度不同，使用時需考慮所選客戶端庫的特性和限制。
三、源碼分析
在 Java中，常見的 Redis 客戶端庫有 Jedis 和 Lettuce兩種，下面我們將分別分析這兩個庫實現 Pipeline功能。
1. 使用 Jedis 庫
Jedis 是一個簡單、直觀的 Redis 客戶端，支持 Pipeline 功能。下面的示例展示如何使用 Jedis實現 Pipeline操作。
import redis.clients.jedis.Jedis;
import redis.clients.jedis.Pipeline;
import redis.clients.jedis.Response;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
publicclass JedisPipelineExample {
public static void main(String[] args) {
// Redis 連接參數
String redisHost = "localhost";
int redisPort = 6379;
String redisPassword = null; // 若有密碼，填寫密碼
// 連接 Redis
try (Jedis jedis = new Jedis(redisHost, redisPort)) {
if (redisPassword != null && !redisPassword.isEmpty()) {
jedis.auth(redisPassword);
}
// 批量設置鍵值對
batchSet(jedis);
// 批量獲取鍵值對
batchGet(jedis);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
/**
* 使用 Pipeline 批量設置鍵值對
*
* @param jedis Jedis 實例
*/
public static void batchSet(Jedis jedis) {
System.out.println("開始批量設置鍵值對...");
Pipeline pipeline = jedis.pipelined();
int numCommands = 1000;
for (int i = 0; i < numCommands; i++) {
pipeline.set("key-" + i, "value-" + i);
}
// 執行所有命令
pipeline.sync();
System.out.println("批量設置完成，共設置 " + numCommands + " 個鍵值對。");
}
/**
* 使用 Pipeline 批量獲取鍵值對
*/
public static void batchGet(Jedis jedis) {
System.out.println("開始批量獲取鍵值對...");
Pipeline pipeline = jedis.pipelined();
int numCommands = 1000;
List<Response<String>> responses = new ArrayList<>(numCommands);
for (int i = 0; i < numCommands; i++) {
Response<String> response = pipeline.get("key-" + i);
responses.add(response);
}
// 執行所有命令
pipeline.sync();
// 處理結果
for (int i = 0; i < numCommands; i++) {
String value = responses.get(i).get();
System.out.println("key-" + i + " = " + value);
}
System.out.println("批量獲取完成，共獲取 " + numCommands + " 個鍵值對。");
}
}上面的代碼主要總結為 4個步驟：
(1) 連接 Redis:
使用 Jedis 類連接 Redis 服務器。如果 Redis 服務器設置了密碼，需要調用 jedis.auth 進行認證。
(2) 批量設置鍵值對:
- 調用 jedis.pipelined() 獲取一個 Pipeline 對象。
- 使用循環將多個 set 命令添加到 Pipeline 中。
- 調用 pipeline.sync() 發送所有命令并等待執行結果。
- 通過 Pipeline 一次性提交所有命令，減少了網絡往返次數。
(3) 批量獲取鍵值對:
- 同樣使用 pipelines 獲取 Pipeline 對象。
- 使用 pipeline.get 方法批量添加 get 命令，并將 Response 對象保存到列表中。
- 調用 pipeline.sync() 發送所有命令并等待執行結果。
- 遍歷 Response 對象列表，獲取每個鍵的值。
(4) 關閉連接:
使用 try-with-resources 語法自動關閉 Jedis 連接，確保資源的正確釋放。
2. 使用 Lettuce 庫
Lettuce 是一個基于 Netty 的可伸縮、多線程的 Redis 客戶端，支持異步和反應式編程模型，同樣支持 Pipeline 功能。
以下示例展示如何使用 Lettuce 實現 Pipeline 操作，包括批量設置和獲取鍵值對。
import io.lettuce.core.RedisClient;
import io.lettuce.core.RedisURI;
import io.lettuce.core.api.StatefulRedisConnection;
import io.lettuce.core.api.sync.RedisCommands;
import io.lettuce.core.api.sync.SyncCommands;
import io.lettuce.core.api.sync.RedisScriptingCommands;
import io.lettuce.core.api.sync.RedisClusterCommands;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
publicclass LettucePipelineExample {
public static void main(String[] args) {
// Redis 連接參數
String redisHost = "localhost";
int redisPort = 6379;
String redisPassword = null; // 若有密碼，填寫密碼
// 創建 RedisURI
RedisURI redisURI = RedisURI.Builder.redis(redisHost)
.withPort(redisPort)
.withPassword(redisPassword != null ? redisPassword.toCharArray() : null)
.build();
// 創建 RedisClient
RedisClient redisClient = RedisClient.create(redisURI);
// 建立連接
try (StatefulRedisConnection<String, String> connection = redisClient.connect()) {
RedisCommands<String, String> syncCommands = connection.sync();
// 批量設置鍵值對
batchSet(syncCommands);
// 批量獲取鍵值對
batchGet(syncCommands);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 關閉客戶端
redisClient.shutdown();
}
}
/**
* 使用 Lettuce 的 Pipeline 批量設置鍵值對
*
* @param syncCommands 同步命令接口
*/
public static void batchSet(RedisCommands<String, String> syncCommands) {
System.out.println("開始批量設置鍵值對...");
int numCommands = 1000;
for (int i = 0; i < numCommands; i++) {
syncCommands.set("key-" + i, "value-" + i);
}
// 批量執行所有命令
syncCommands.getStatefulConnection().flushCommands();
System.out.println("批量設置完成，共設置 " + numCommands + " 個鍵值對。");
}
/**
* 使用 Lettuce 的 Pipeline 批量獲取鍵值對
*
* @param syncCommands 同步命令接口
*/
public static void batchGet(RedisCommands<String, String> syncCommands) {
System.out.println("開始批量獲取鍵值對...");
int numCommands = 1000;
List<String> keys = new ArrayList<>(numCommands);
for (int i = 0; i < numCommands; i++) {
keys.add("key-" + i);
}
List<String> values = syncCommands.mget(keys.toArray(new String[0]))
.stream()
.map(res -> res.getValue())
.toList();
for (int i = 0; i < numCommands; i++) {
System.out.println(keys.get(i) + " = " + values.get(i));
}
System.out.println("批量獲取完成，共獲取 " + numCommands + " 個鍵值對。");
}
}上面的代碼主要總結為 4個步驟：
(1) 連接 Redis:
使用 RedisClient 創建連接，RedisURI 封裝了連接參數。如果 Redis 服務器設置了密碼，需要在 RedisURI 中指定。
(2) 批量設置鍵值對:
- 使用 syncCommands.set 方法批量添加 set 命令。
- 調用 flushCommands() 方法將所有積累的命令一次性發送到服務器。
注：Lettuce 的 Pipeline 支持隱式的 Pipeline，即沒有顯式的 Pipeline API，通過積累命令并調用 flushCommands() 實現批量發送。
(3) 批量獲取鍵值對:
- 使用 mget 方法一次性獲取多個鍵的值，這是 Lettuce 提供的批量獲取命令，天然支持 Pipeline。
- mget 返回一個包含每個鍵值的 List，通過流處理提取值。
(4) 關閉連接:
使用 try-with-resources 語法自動關閉連接，最后調用 redisClient.shutdown() 關閉 Redis 客戶端。
盡管 Lettuce 支持 Pipeline，但其 API 不如 Jedis 那樣顯式。要實現更細粒度的 Pipeline 控制，可以使用 Lettuce 的命令緩沖機制或異步 API。上述示例中展示的是同步方式，適用于簡單的批量操作。
四、使用場景
- 批量設置鍵值對: 將大量鍵值對一次性寫入 Redis，適用于數據初始化或大規模更新。
- 批量獲取鍵值對: 在需要同時獲取多個鍵的值時，通過 Pipeline 減少請求次數，提高效率。
- 分布式計數器: 高并發情況下，使用 Pipeline 聚合多個計數操作，提升吞吐量。
- 緩存預熱: 在應用啟動或重啟時，通過 Pipeline 將常用數據加載到緩存中，提高應用啟動性能。
五、總結
本文，我們詳細地分析了Redis的 Pipeline功能，以及從源碼角度分析了 Java中常見的兩種實現方式。通過批量發送命令，顯著減少了網絡延遲對性能的影響，提高了大量命令執行的效率。
然而，作為技術人員，我們不能只是一味的追求性能，而應該根據實際情況和需求，同時需要考慮 Pipeline可能帶來的問題，比如資源消耗、錯誤處理等問題。只有綜合地考慮其優缺點，才能幫助我們更好地技術選型和落地。
