使用 TiKV 构建分布式类 Redis 服务

Fri, Sep 7, 2018
唐刘

什么是 Redis

Redis 是一个开源的，高性能的，支持多种数据结构的内存数据库，已经被广泛用于数据库，缓存，消息队列等领域。它有着丰富的数据结构支持，譬如 String，Hash，Set 和 Sorted Set，用户通过它们能构建自己的高性能应用。

Redis 非常快，没准是世界上最快的数据库了，它虽然使用内存，但也提供了一些持久化机制以及异步复制机制来保证数据的安全。

Redis 的不足

Redis 非常酷，但它也有一些问题：

内存很贵，而且并不是无限容量的，所以我们不可能将大量的数据存放到一台机器。
异步复制并不能保证 Redis 的数据安全。
Redis 提供了 transaction mode，但其实并不满足 ACID 特性。
Redis 提供了集群支持，但也不能支持跨多个节点的分布式事务。

所以有时候，我们需要一个更强大的数据库，虽然在延迟上面可能赶不上 Redis，但也有足够多的特性，譬如：

丰富的数据结构
高吞吐，能接受的延迟
强数据一致
水平扩展
分布式事务

为什么选择 TiKV

大约 4 年前，我开始解决上面提到的 Redis 遇到的一些问题。为了让数据持久化，最直观的做法就是将数据保存到硬盘上面，而不是在内存里面。所以我开发了 LedisDB，一个使用 Redis 协议，提供丰富数据结构，但将数据放在 RocksDB 的数据库。LedisDB 并不是完全兼容 Redis，所以后来，我和其他同事继续创建了 RebornDB，一个完全兼容 Redis 的数据库。无论是 LedisDB 还是 RebornDB，因为他们都是将数据放在硬盘，所以能存储更大量的数据。但它们仍然不能提供 ACID 的支持，另外，虽然我们可以通过 codis 去提供集群的支持，我们也不能很好的支持全局的分布式事务。

所以我们需要另一种方式，幸运的是，我们有 TiKV。

TiKV 是一个高性能，支持分布式事务的 key-value 数据库。虽然它仅仅提供了简单的 key-value API，但基于 key-value，我们可以构造自己的逻辑去创建更强大的应用。譬如，我们就构建了 TiDB ，一个基于 TiKV 的，兼容 MySQL 的分布式关系型数据库。TiDB 通过将 database 的 schema 映射到 key-value 来支持了相关 SQL 特性。所以对于 Redis，我们也可以采用同样的办法 - 构建一个支持 Redis 协议的服务，将 Redis 的数据结构映射到 key-value 上面。

如何开始

架构图

整个架构非常简单，我们仅仅需要做的就是构建一个 Redis 的 Proxy，这个 Proxy 会解析 Redis 协议，然后将 Redis 的数据结构映射到 key-value 上面。

Redis Protocol

Redis 协议被叫做 RESP（Redis Serialization Protocol），它是文本类型的，可读性比较好，并且易于解析。它使用 “rn” 作为每行的分隔符并且用不同的前缀来代表不同的类型。例如，对于简单的 String，第一个字节是 “+”，所以一个 “OK” 行就是 “+OKrn”。大多数时候，客户端会使用最通用的 Request-Response 模型用于跟 Redis 进行交互。客户端会首先发送一个请求，然后等待 Redis返回结果。请求是一个 Array，Array 里面元素都是 bulk strings，而返回值则可能是任意的 RESP 类型。Redis 同样支持其他通讯方式：

Pipeline - 这种模式下面客户端会持续的给 Redis 发送多个请求，然后等待 Redis 返回一个结果。 Push - 客户端会在 Redis 上面订阅一个 channel，然后客户端就会从这个 channel 上面持续受到 Redis push 的数据。

下面是一个简单的客户端发送 LLEN mylist 命令到 Redis 的例子：

C: *2\r\n
C: $4\r\n
C: LLEN\r\n
C: $6\r\n
C: mylist\r\n

S: :48293\r\n

客户端会发送一个带有两个 bulk string 的 array，第一个 bulk string 的长度是 4，而第二个则是 6。Redis 会返回一个 48293 整数。正如你所见，RESP 非常简单，自然而然的，写一个 RESP 的解析器也是非常容易的。

作者创建了一个 Go 的库 goredis，基于这个库，我们能非常容易的从连接上面解析出 RESP，一个简单的例子：

// Create a buffer IO from the connection.
br := bufio.NewReaderSize(conn, 4096)
// Create a RESP reader.
r := goredis.NewRespReader(br)
// Parse the Request
req := r.ParseRequest()

函数 ParseRequest 返回一个解析好的 request，它是一个 [][]byte 类型，第一个字段是函数名字，譬如 “LLEN”，然后后面的字段则是这个命令的参数。

TiKV 事务 API

在我们开始之前，作者将会给一个简单实用 TiKV 事务 API 的例子，我们调用 Begin 开始一个事务：

txn, err := db.Begin()

函数 Begin 创建一个事务，如果出错了，我们需要判断 err，不过后面作者都会忽略 err 的处理。

当我们开始了一个事务之后，我们就可以干很多操作了：

value, err := txn.Get([]byte(“key”))
// Do something with value and then update the newValue to the key.
txn.Put([]byte(“key”), newValue)

上面我们得到了一个 key 的值，并且将其更新为新的值。TiKV 使用乐观事务模型，它会将所有的改动都先缓存到本地，然后在一起提交给 Server。

// Commit the transaction
txn.Commit(context.TODO())

跟其他事务处理一样，我们也可以回滚这个事务：

txn.Rollback()

如果两个事务操作了相同的 key，它们就会冲突。一个事务会提交成功，而另一个事务会出错并且回滚。

映射 Data structure 到 TiKV

现在我们知道了如何解析 Redis 协议，如何在一个事务里面做操作，下一步就是支持 Redis 的数据结构了。Redis 主要有 4 中数据结构：String，Hash，Set 和 Sorted Set，但是对于 TiKV 来说，它只支持 key-value，所以我们需要将这些数据结构映射到 key-value。

首先，我们需要区分不同的数据结构，一个非常容易的方式就是在 key 的后面加上 Type flag。例如，我们可以将 ’s’ 添加到 String，所以一个 String key “abc” 在 TiKV 里面其实就是 “abcs”。

对于其他类型，我们可能需要考虑更多，譬如对于 Hash 类型，我们需要支持如下操作：

HSET key field1 value1
HSET key field2 value2
HLEN key

一个 Hash 会有很多 fields，我有时候想知道整个 Hash 的个数，所以对于 TiKV，我们不光需要将 Hash 的 key 和 field 合在一起变成 TiKV 的一个 key，也同时需要用另一个 key 来保存整个 Hash 的长度，所以整个 Hash 的布局类似：

key + ‘h’ -> length
key + ‘f’ + field1 -> value
key + ‘f’ + field2 -> value

如果我们不保存 length，那么如果我们想知道 Hash 的 length，每次都需要去扫整个 Hash 得到所有的 fields，这个其实并不高效。但如果我们用另一个 key 来保存 length，任何时候，当我们加入一个新的 field，我们都需要去更新这个 length 的值，这也是一个开销。对于我来说，我倾向于使用另一个 key 来保存 length，因为 HLEN 是一个高频的操作。

例子

作者构建了一个非常简单的例子 example ，里面只支持 String 和 Hash 的一些操作，我们可以 clone 下来并编译：

git clone https://github.com/siddontang/redis-tikv-example.git $GOPATH/src/github.com/siddontang/redis-tikv-example

cd $GOPATH/src/github.com/siddontang/redis-tikv-example
go build

在运行之前，我们需要启动 TiKV，可以参考 instruction，然后执行：

./redis-tikv-example

这个例子会监听端口 6380，然后我们可以用任意的 Redis 客户端，譬如 redis-cli 去连接：

redis-cli -p 6380
127.0.0.1:6380> set k1 a
OK
127.0.0.1:6380> get k1
"a"
127.0.0.1:6380> hset k2 f1 a
(integer) 1
127.0.0.1:6380> hget k2 f1
"a"

尾声

现在已经有一些公司基于 TiKV 来构建了他们自己的 Redis Server，并且也有一个开源的项目 tidis 做了相同的事情。tidis 已经比较完善，如果你想替换自己的 Redis，可以尝试一下。正如同你所见，TiKV 其实算是一个基础的组件，我们可以在它的上面构建很多其他的应用。如果你对我们现在做的事情感兴趣，欢迎联系我：tl@pingcap.com。