23. Redis 中的发布/订阅（Pub/Sub）是如何实现的？

标准答案

Redis 的发布/订阅（Pub/Sub）是一种消息通信机制，允许多个客户端订阅同一个频道（channel），发布者可以向频道发送消息，所有订阅该频道的客户端都会收到消息。其底层实现基于 全局字典结构 和 事件驱动模型，依靠 Reactor 线程 监听频道事件，并使用 非阻塞 IO（epoll/kqueue） 推送消息。

答案解析

Redis Pub/Sub 主要由 发布者（Publisher）、订阅者（Subscriber） 和 Redis 服务器 组成。当订阅者订阅某个频道后，Redis 服务器会维护一个订阅关系表，当有发布者向该频道发布消息时，Redis 服务器会遍历所有订阅该频道的客户端，并将消息推送给它们。

1️⃣ Pub/Sub 的数据结构

Redis 内部使用 字典（dict）+ 链表 维护 频道-订阅者关系：

• pubsub_channels（哈希表）：记录 频道（channel） 对应的 订阅者集合。
• pubsub_patterns（链表）：记录 模式匹配（pattern） 订阅的客户端。

示例：

• SUBSCRIBE news → Redis 记录 news 频道的订阅者列表
• PUBLISH news "Hello" → Redis 查找 news 频道的所有订阅者，推送 "Hello" 消息

2️⃣ 订阅与发布的过程

✅ (1) 订阅（SUBSCRIBE）

当客户端执行 SUBSCRIBE channel1，Redis 服务器会执行：

1. 将该客户端 ID 添加到 pubsub_channels[channel1] 订阅者列表。
2. 监听该频道的消息，当 channel1 有新消息时，立即推送给该客户端。

127.0.0.1:6379> SUBSCRIBE news
Reading messages... (press Ctrl-C to quit)

底层实现：

• Redis 维护一个 pubsub_channels 字典，key=频道，value=订阅该频道的客户端列表。
• 订阅者被存储在 dict<channel, list<client>> 结构中。

✅ (2) 发布（PUBLISH）

当某个客户端 PUBLISH news "Breaking News!"，Redis 会执行：

1. 查找 pubsub_channels，获取所有订阅 news 的客户端。
2. 使用 Redis 的事件驱动模型（Reactor）非阻塞推送消息。
3. 如果订阅者很多，Redis 会遍历所有订阅者，逐个推送消息。

127.0.0.1:6379> PUBLISH news "Breaking News!"
(integer) 3  # 表示有 3 个客户端接收到了消息

底层实现：

• Redis 遍历 pubsub_channels["news"] 的所有订阅者，并向它们发送 "Breaking News!"。
• 由于 Redis 单线程处理，它使用 高效的事件循环（epoll/kqueue） 进行消息分发。

3️⃣ Redis 的消息推送机制

Redis 采用 基于事件驱动的 IO 多路复用（epoll/kqueue），当 PUBLISH 触发时，Redis 会：

1. 遍历所有订阅该频道的客户端。
2. 将消息加入到客户端的输出缓冲区（output buffer）。
3. 通过 Redis 的 write 事件发送数据给订阅者（非阻塞 IO）。

🚀 高效推送机制：

• 单线程模型：避免锁竞争，所有操作 O(1) 或 O(N)（N 为订阅者数）。
• 事件驱动：采用 IO 多路复用，消息发布后，Redis 立即推送给订阅者，避免轮询。

4️⃣ 模式匹配订阅（PSubscribe）

Redis 支持模式匹配订阅，允许订阅者监听 多个匹配的频道。

127.0.0.1:6379> PSUBSCRIBE news*

底层原理：

• Redis 维护 pubsub_patterns，其中存储 dict<pattern, list<client>>。
• PUBLISH "news_sports" "Score: 3-1" 时，Redis 会匹配所有符合 news* 模式的订阅者，并发送消息。

5️⃣ Pub/Sub 的缺陷

1. 消息无持久化：如果订阅者掉线，离线消息不会存储，重连后无法获取之前的消息。
2. 消息无确认机制：Redis 采用**“尽力而为”**的方式推送消息，无法保证所有订阅者都收到。
3. 订阅端阻塞：当客户端 SUBSCRIBE 某个频道后，该连接进入阻塞模式，只能接收消息，无法执行其他命令。

深入追问

🔹 Redis Pub/Sub 和 Kafka、RabbitMQ 有什么区别？
🔹 如何在 Redis Pub/Sub 上实现持久化消息？
🔹 Redis 如何优化 Pub/Sub 的推送性能？

相关面试题

🔹 Redis 的 Pub/Sub 适用于什么场景？
🔹 Redis 如何处理大量订阅者的消息推送？
🔹 如何基于 Redis 实现可靠的消息队列？

总结

Redis Pub/Sub 是基于 事件驱动+字典索引 结构实现的消息发布/订阅模型，具有高吞吐、低延迟的特点，但缺少持久化和确认机制，适用于实时消息推送，但不适用于可靠消息队列。🚀