redis集群客户端JedisCluster优化 - 管道(pipeline)模式支持

Redis在3.0版正式引入了集群这个特性，扩展变得非常简单。然而当你开心的升级到3.0后，却发现有些很好用的功能现在工作不了了， 比如我们今天要聊的pipeline功能。
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我们知道，普通的情况下，redis client与server之间采用的是请求应答的模式，即：

Client: command1 
Server: response1 
Client: command2 
Server: response2 
…

在这种情况下，如果要完成10个命令，则需要20次交互才能完成。因此，即使redis处理能力很强，仍然会受到网络传输影响，导致吞吐上不去。而在管道模式下，多个请求变成这样：

Client: command1，command2… 
Server: response1，response2…

在这种情况下，完成命令只需要2次交互。这样网络传输上能够更加高效，加上redis本身强劲的处理能力，是不是有一种飞一样的感觉。听到这里有没有去优化应用的冲动？ 然而到了cluster模式下，这样的功能并不支持。 下面我们先来分析下，是什么原因导致redis cluter没办法支持管道模式。首先需要了解集群下的几个特性：

1、集群将空间分拆为16384个槽位(slot)，每一个节点负责其中一些槽位。迁移时对整个slot迁移
2、节点添加，或宕机或不可达的情况下可以正常使用
3、不存在中心或者代理节点， 每个节点中都包含集群所有的节点信息
4、集群中的节点不会代理请求：即如果client将命令发送到错误的节点上，操作会失败，但会返回”-MOVED”或”-ASK”，供client进行永久或临时的节点切换
以上信息中第3、4点信息比较重要。

我们先来看第3点，由于每个节点都包含所有的节点信息，因此client连接任一节点都可以获取整个集群的信息，这样我们在配置JedisCluster时只需要配置其中一部分节点的信息就可以（配置多个是为了高可用）。对应的获取集群命令为：cluster nodes

127.0.0.1:9380> cluster nodes 
b6d0cfe64dbae9590e6fc4c5a8e309debcbe0529 127.0.0.1:9380 myself,master - 0 0 2 connected 5461-10922 
b9e5592558aae0f28c79c3750b264d5b2530f6a4 127.0.0.1:9381 master - 0 1466758609932 3 connected 10923-16383 
b40095eb2023653eaea5b7b4e242a77a7817889a 127.0.0.1:9379 master - 0 1466758608932 1 connected 0-5460

每一行代表一个节点的信息，这里共三个节点（测试用，没有建slave节点），依次的信息为：

{id} {ip:port} {flags如master/slave} {master id} {ping-sent} {pong-recv} {config-epoch} {link-state} {slot} {slot} … {slot} 
参考： http://redis.io/commands/cluster-nodes

可以看到每个节点对应的slot信息都在这里，{slot}格式一般是{begin}-{end}（如0-5460）,表示从{begin}到{end}的所有slot都在当前节点中。因此我们可以通过slot找到对应机器的ip:port。 注意，新版client中使用cluster slots获取对应数据 ， 参考： http://redis.io/commands/cluster-slots 。

再来看第4点，由第3点可以知道client可以通过获取所有节点信息，根据key计算得到对应的slot后可以找到对应的节点。所以说在节点稳定（没有增减）的情况下，客户端可以一直用缓存的集群信息来发起各种命令。然而，如果节点发生变更客户端是否能够立即感知？ 目前的client JedisCluster是无法感知的，他是通过执行命令后, 服务端返回的“-MOVED”信息感知节点的变化，并以此来刷新缓存信息。

了解以上信息以后，JedisCluster为什么不支持pipeline就比较清晰了。 因为pipeline模式下命令将被缓存到对应的连接(OutputStream)上，而在真正向服务端发送数据时，节点可能发生了改变，数据就可能发向了错误的节点，这导致批量操作失败，而要处理这种失败是非常复杂的。至少目前JedisCluster并未提供这样的机制。（对于单key来说，在发生这种情况的时候，进行简单的节点数据刷新+重新发送当前命令来重试）。

看到这里，你可能会感到沮丧（我猿类如此不易，且行且珍惜）。这里提供一个简单的思路，你可以根据单key的逻辑，如果某些key遇到”-MOVE”或”-ASK”则重试。 根据这个思路，你需要按顺序记录所有的命令，每次执行完成后找出异常的数据，刷新节点信息后重试，最终将重试（可能有多次）获取到的结果根据顺序信息插入返回列表。对于重试多次依然失败的数据，交由业务处理。思路很简单，然而redis命令太多了，要对PipelineBase的每个方法都这样改造，我不想（因为我懒呀），而且估计坑也很多，所以这个只能靠你自己去搞了。

下面我说下针对我们的业务做的一个JedisCluster pipeline实现。对应的业务有以下特点： 
- 数据为每隔一段时间全量导入redis集群，数据量约xx万（xx较大） 
- 导入任务为后台执行，可重试，最终如果有部分失败可接受 
- 集群相对较稳定，不会频繁的加减机器 
- 在线业务不使用该api

下面是该类的源码（jdk1.7)，如在以上这几个条件下有问题，可以一起交流： 
(github地址： https://github.com/youaremoon/jedis-ext)


package com.yam.common.redis;

import java.io.Closeable;
import java.io.IOException;
import java.lang.reflect.Field;
import java.util.ArrayList;
import java.util.HashMap;
import java.util.HashSet;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.Queue;
import java.util.Set;

import javax.annotation.concurrent.NotThreadSafe;

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import redis.clients.jedis.BinaryJedisCluster;
import redis.clients.jedis.Client;
import redis.clients.jedis.HostAndPort;
import redis.clients.jedis.Jedis;
import redis.clients.jedis.JedisCluster;
import redis.clients.jedis.JedisClusterConnectionHandler;
import redis.clients.jedis.JedisClusterInfoCache;
import redis.clients.jedis.JedisPool;
import redis.clients.jedis.JedisSlotBasedConnectionHandler;
import redis.clients.jedis.PipelineBase;
import redis.clients.jedis.exceptions.JedisMovedDataException;
import redis.clients.jedis.exceptions.JedisRedirectionException;
import redis.clients.util.JedisClusterCRC16;
import redis.clients.util.SafeEncoder;

/**
 * 在集群模式下提供批量操作的功能。 <br/>
 * 由于集群模式存在节点的动态添加删除，且client不能实时感知（只有在执行命令时才可能知道集群发生变更），
 * 因此，该实现不保证一定成功，建议在批量操作之前调用 refreshCluster() 方法重新获取集群信息。<br />
 * 应用需要保证不论成功还是失败都会调用close() 方法，否则可能会造成泄露。<br/>
 * 如果失败需要应用自己去重试，因此每个批次执行的命令数量需要控制。防止失败后重试的数量过多。<br />
 * 基于以上说明，建议在集群环境较稳定（增减节点不会过于频繁）的情况下使用，且允许失败或有对应的重试策略。<br />
 * 
 * 
 * @author youaremoon
 * @version
 * @since Ver 1.1
 */
@NotThreadSafe
public class JedisClusterPipeline extends PipelineBase implements Closeable {

    private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(JedisClusterPipeline.class);

    // 部分字段没有对应的获取方法，只能采用反射来做
    // 你也可以去继承JedisCluster和JedisSlotBasedConnectionHandler来提供访问接口
    private static final Field FIELD_CONNECTION_HANDLER;
    private static final Field FIELD_CACHE; 
    static {
        FIELD_CONNECTION_HANDLER = getField(BinaryJedisCluster.class, "connectionHandler");
        FIELD_CACHE = getField(JedisClusterConnectionHandler.class, "cache");
    }

    private JedisSlotBasedConnectionHandler connectionHandler;
    private JedisClusterInfoCache clusterInfoCache;
    private Queue<Client> clients = new LinkedList<Client>();   // 根据顺序存储每个命令对应的Client
    private Map<JedisPool, Jedis> jedisMap = new HashMap<>();   // 用于缓存连接
    private boolean hasDataInBuf = false;   // 是否有数据在缓存区

    /**
     * 根据jedisCluster实例生成对应的JedisClusterPipeline
     * @param 
     * @return
     */
    public static JedisClusterPipeline pipelined(JedisCluster jedisCluster) {
        JedisClusterPipeline pipeline = new JedisClusterPipeline();
        pipeline.setJedisCluster(jedisCluster);
        return pipeline;
    }

    public JedisClusterPipeline() {
    }

    public void setJedisCluster(JedisCluster jedis) {
        connectionHandler = getValue(jedis, FIELD_CONNECTION_HANDLER);
        clusterInfoCache = getValue(connectionHandler, FIELD_CACHE);
    }

    /**
     * 刷新集群信息，当集群信息发生变更时调用
     * @param 
     * @return
     */
    public void refreshCluster() {
        connectionHandler.renewSlotCache();
    }

    /**
     * 同步读取所有数据. 与syncAndReturnAll()相比，sync()只是没有对数据做反序列化
     */
    public void sync() {
        innerSync(null);
    }

    /**
     * 同步读取所有数据 并按命令顺序返回一个列表
     * 
     * @return 按照命令的顺序返回所有的数据
     */
    public List<Object> syncAndReturnAll() {
        List<Object> responseList = new ArrayList<Object>();

        innerSync(responseList);

        return responseList;
    }

    private void innerSync(List<Object> formatted) {
        HashSet<Client> clientSet = new HashSet<Client>();

        try {
            for (Client client : clients) {
                // 在sync()调用时其实是不需要解析结果数据的，但是如果不调用get方法，发生了JedisMovedDataException这样的错误应用是不知道的，因此需要调用get()来触发错误。
                // 其实如果Response的data属性可以直接获取，可以省掉解析数据的时间，然而它并没有提供对应方法，要获取data属性就得用反射，不想再反射了，所以就这样了
                Object data = generateResponse(client.getOne()).get();
                if (null != formatted) {
                    formatted.add(data);
                }

                // size相同说明所有的client都已经添加，就不用再调用add方法了
                if (clientSet.size() != jedisMap.size()) {
                    clientSet.add(client);
                }
            }
        } catch (JedisRedirectionException jre) {
            if (jre instanceof JedisMovedDataException) {
                // if MOVED redirection occurred, rebuilds cluster's slot cache,
                // recommended by Redis cluster specification
                refreshCluster();
            }

            throw jre;
        } finally {
            if (clientSet.size() != jedisMap.size()) {
                // 所有还没有执行过的client要保证执行(flush)，防止放回连接池后后面的命令被污染
                for (Jedis jedis : jedisMap.values()) {
                    if (clientSet.contains(jedis.getClient())) {
                        continue;
                    }

                    flushCachedData(jedis);
                }
            }

            hasDataInBuf = false;
            close();
        }
    }

    @Override
    public void close() {
        clean();

        clients.clear();

        for (Jedis jedis : jedisMap.values()) {
            if (hasDataInBuf) {
                flushCachedData(jedis);
            }

            jedis.close();
        }

        jedisMap.clear();

        hasDataInBuf = false;
    }

    private void flushCachedData(Jedis jedis) {
        try {
            jedis.getClient().getAll();
        } catch (RuntimeException ex) {
        }
    }

    @Override
    protected Client getClient(String key) {
        byte[] bKey = SafeEncoder.encode(key);

        return getClient(bKey);
    }

    @Override
    protected Client getClient(byte[] key) {
        Jedis jedis = getJedis(JedisClusterCRC16.getSlot(key));

        Client client = jedis.getClient();
        clients.add(client);

        return client;
    }

    private Jedis getJedis(int slot) {
        JedisPool pool = clusterInfoCache.getSlotPool(slot);

        // 根据pool从缓存中获取Jedis
        Jedis jedis = jedisMap.get(pool);
        if (null == jedis) {
            jedis = pool.getResource();
            jedisMap.put(pool, jedis);
        }

        hasDataInBuf = true;
        return jedis;
    }

    private static Field getField(Class<?> cls, String fieldName) {
        try {
            Field field = cls.getDeclaredField(fieldName);
            field.setAccessible(true);

            return field;
        } catch (NoSuchFieldException | SecurityException e) {
            throw new RuntimeException("cannot find or access field '" + fieldName + "' from " + cls.getName(), e);
        }
    }

    @SuppressWarnings({"unchecked" })
    private static <T> T getValue(Object obj, Field field) {
        try {
            return (T)field.get(obj);
        } catch (IllegalArgumentException | IllegalAccessException e) {
            LOGGER.error("get value fail", e);

            throw new RuntimeException(e);
        }
    }   

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Set<HostAndPort> nodes = new HashSet<HostAndPort>();
        nodes.add(new HostAndPort("127.0.0.1", 9379));
        nodes.add(new HostAndPort("127.0.0.1", 9380));

        JedisCluster jc = new JedisCluster(nodes);

        long s = System.currentTimeMillis();

        JedisClusterPipeline jcp = JedisClusterPipeline.pipelined(jc);
        jcp.refreshCluster();
        List<Object> batchResult = null;
        try {
            // batch write
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                jcp.set("k" + i, "v1" + i);
            }
            jcp.sync();

            // batch read
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                jcp.get("k" + i);
            }
            batchResult = jcp.syncAndReturnAll();
        } finally {
            jcp.close();
        }

        // output time 
        long t = System.currentTimeMillis() - s;
        System.out.println(t);

        System.out.println(batchResult.size());

        // 实际业务代码中，close要在finally中调，这里之所以没这么写，是因为懒
        jc.close();
    }
}