数据结构Stream

Redis 5.0 引入了全新的数据结构 Stream，这是一个支持多播的可持久化消息队列，设计灵感部分来源于 Kafka。Stream 提供了丰富的功能集，适合处理实时数据流。以下是关于 Redis Stream 的一些详细解释：

1. 什么是 Redis Stream?

Redis Stream 是一个日志型数据结构，可以看作是一个先进的消息队列。它允许消费者以流的形式订阅并处理消息，同时支持消息持久化。这使得 Redis Stream 成为处理实时数据的理想选择。

2. Stream 的核心概念

  • Stream Entry（流记录）：每条消息在 Redis Stream 中称为一个流记录，每条记录包含一个唯一的 ID（通常由 Redis 自动生成），以及与该记录关联的字段-值对（类似于哈希表）。

  • Stream ID：每条消息都有一个唯一的标识符，通常格式为 时间戳-序号。例如：1539073279154-0，前半部分是生成消息的时间戳，后半部分是同一毫秒内的消息序号。

  • Stream Group（消费组）：

    • 概述: 消费组使多个消费者能够协作处理同一条消息流中的不同消息，每个消费者可以独立消费消息，而不会与其他消费者冲突。
    • 游标 last_delivered_id: 每个消费组都有一个游标 last_delivered_id，它记录了该消费组中最后一次成功传递给消费者的消息 ID。这个游标有助于 Redis 确定下一次应该向消费组分发的消息。
    • PEL (Pending Entries List): 当一个消费者接收到消息但尚未确认处理完成时，这些消息会被记录在 PEL（Pending Entries List）中。PEL 是每个消费组内独立维护的一个列表，包含了该组内所有尚未被确认的消息的 ID。当客户端断开连接或重启时，可以重新连接并从 PEL 中获取这些未确认的消息 ID，以便继续处理。这确保了消息不会丢失或被重复处理。

3. Stream 的核心功能

  • 追加消息：可以持续向 Stream 中追加消息，消息按照插入的顺序存储。

  • 消费者组（Consumer Groups）：多个消费者可以订阅同一个 Stream，并且通过消费者组的方式，保证每条消息被一个消费者处理。这与 Kafka 的消费模型类似。

  • 持久化与回溯：与其他 Redis 数据结构不同，Stream 的数据可以持久化保存，并且消费者可以回溯历史消息，这使得 Stream 可以在处理失败后重新消费消息。

  • 自动生成消息 ID：Redis 会为每个消息自动生成一个唯一的 ID，也可以由用户自行指定。

  • 显式确认: 消费者在处理完一条消息后需要显式地使用 XACK 命令确认消息处理完成，这会将消息从 PEL 中移除。

  • 消息重传: 如果消息在一段时间内没有得到确认，Redis 可以将这些消息重新分配给其他消费者，以确保消息最终被处理。这是通过查看 PEL 列表中未被确认的消息来实现的。

  • 自动分配: Redis 会根据消费组中的消费者数量和每个消费者的负载情况，自动将消息分配给合适的消费者。

  • PEL 重分配: 当消费者重新连接时，Redis 可以通过 PEL 列表识别并重新分配这些未处理的消息，以保证消息不会丢失。

4. Stream 与 Kafka 的比较

  • 消息存储：Kafka 存储消息的设计基于分区和日志文件，而 Redis Stream 是基于 Redis 内存结构存储，支持持久化。

  • 消费模型：Kafka 的消费模型是通过偏移量来实现消息的消费与回溯，Redis Stream 则通过 Stream ID 来控制消费进度。

  • 持久化与性能：Kafka 的设计更注重磁盘持久化和高吞吐量的日志处理，适合大规模分布式环境；Redis Stream 则利用 Redis 的内存速度，提供快速的消息队列处理能力，并支持必要的持久化。

5. Redis Stream 的典型应用场景

  • 实时日志收集和处理：Stream 可以用于收集实时的日志数据，消费者组可以将日志数据分发到不同的处理程序。

  • 事件驱动架构：适用于基于事件的微服务架构，Stream 可以作为事件总线，将事件发布给不同的微服务处理。

  • 队列系统：用于构建复杂的消息队列系统，特别是需要持久化消息和消费回溯的场景。

6. Stream API 介绍

  • XADD：向 Stream 中添加一条记录。
  • XRANGE/XREVRANGE：按范围获取 Stream 中的记录。
  • XREAD：阻塞读取 Stream 中的新记录，支持多个 Stream 组合读取。
  • XGROUP：创建和管理消费者组。
  • XACK：确认消费者组中的消息已被处理。
  • XCLAIM：重新分配消息给其他消费者，以防止消息长时间未被处理。

总结

Redis Stream 是 Redis 5.0 的一个重大新增特性，为 Redis 增添了一个功能强大的消息队列数据结构。它结合了 Redis 的高性能和 Kafka 的消息队列设计理念，适合处理需要高实时性、可持久化、可回溯的消息系统，广泛应用于日志处理、实时分析、事件驱动架构等场景。