华为云PB级数据库GaussDB(for Redis)解析第二期：Redis消息队列Stream的应用探讨

摘要：本文将对Stream的常用命令和应用场景进行介绍，并探讨原生Redis Stream消息队列的缺陷以及GaussDB(for Redis)提供的解决方案，供大家学习和选用。

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引言：

Redis Stream是Redis 5.0引入的一种新的数据类型，其本质是一个消息队列，类似于 kafka等消息中间件。它提供了消息的落地存储功能，并实现了类似kafka消费组和消费者的功能。与kafka相比，Redis Stream同样拥有强大的功能，但因原生Redis无法有效支持大规模数据存储，成本昂贵，并存在数据丢失/不一致风险等原因，导致其未能流行起来。本文将对Stream的常用命令和应用场景进行介绍，并探讨原生Redis Stream消息队列的缺陷以及GaussDB(for Redis)提供的解决方案，供大家学习和选用。

一、Redis Stream简介

与Pub/Sub相比，Redis Stream 具有消息的落地存储功能，每一个客户端能访问任意时刻的消息，并且能记录每一个客户端的访问位置，还能保证消息不会丢失。Redis Stream 的结构如下所示，它有一个消息链表，将所有加入的消息都链接起来，每个消息都有唯一的 ID 和对应的内容。

如图所示，每一个Stream队列包含多条消息，每条消息由唯一的ID进行标识，由时间戳和序列号组成，例如1627849609889-0。每条消息以追加的方式添加到Stream队列中。同一个Stream队列可以包含多个消费组（Consumer Group），每个消费组的状态都是独立的，同一个Stream队列的消息可以被多个消费组重复消费。

同一个消费组又包含多个消费者（Consumer），这些消费者之间是竞争关系，不同消费者不会重复消费同一条消息，任意一个消费者读取了队列中的一条消息都会使消费组中的游标last_delivered_id往前移动。该方式提高了并发效率，例如，多个进程并发处理Stream队列中的消息。每个消费者中维持一个状态变量pending_ids，简称为PEL(Pending Entries List)，记录了当前已经被客户端读取的但尚未被ACK的消息，确保消息被客户端成功消费。

Redis Stream命令可以分为消息队列命令和消费者命令两类，如下所示：

以即时通讯中的聊天室场景为例，使用Redis Stream作为中间件，实现聊天室的发言以及信息查看。

1）使用XADD命令进行发言。

2）使用XLEN命令获取聊天室发言的数量。

3）使用XRANGE获取消息队列的消息。

4）使用XREAD命令读取消息。可以在不设置消费组和消费者的情况下，使用XREAD的命令进行消息读取，此时Stream队列类似于一个普通的列表（list）。

更多的Redis Stream命令使用请参考官方文档（https://redis.io/commands/xread）。

二、应用场景

由于Redis Stream天然有序，特别适合存储时序数据，应用场景包括即时通讯、智慧医疗、流量削峰、智慧城市等领域。

（1）即时通讯：微信、QQ等是我们日常生活中常用的通讯软件，常用的聊天方式包含点对点通讯和群聊两种方式。下图是一个群聊的模型图，当采用Redis Stream作为通讯的中间件，创建一个群聊时，在Redis中对应地为该群聊创建一个Stream队列。在发送消息时，将每个用户的消息按照时间顺序添加到Stream队列中，保证了消息的有序性。由于Stream是一个持久化的队列，无论是在线还是离线状态，每个用户可以多次查看历史消息，保证了通讯的完整性。

（2）智慧医疗：医疗行业的信息化，可以更好地服务于每一个人。为每一个人从出生起建立一份健康档案，记录相应的健康信息，如体检报告、诊断报告、用药信息、以及智能终端实时上传的健康指标。这些信息都是一些时序数据，同样可以采用Redis Stream来实现智慧医疗系统。建立起智慧医疗系统后，使用终端可以查看所有的医疗信息，并会提示患者按时吃药，在终端上传身体指标异常时，会自动报警并预约挂号。现阶段每个医院都有自己的信息系统，不同的医院很难查到同一个患者的医疗信息，在未来，医疗上云将有利于解决医疗信息孤岛，更好的帮助每一位患者。

（3）流量削峰：在常见的秒杀活动或团购中，如春运抢票、商城促销等，通常短时间内有大量的流量，导致系统崩溃。由于每一个用户在请求时对应唯一的时间戳，所有的请求都有一个先后顺序，同样可以采用Redis Stream作为中间件，将请求加入到Redis Stream消息队列。将消息转存到消息队列间接提供给应用，而非直接发送给应用，可以防止大流量冲击导致的系统崩溃。当消息队列中的请求数量达到规定的最大值时，直接回复客户端抢购失败。

三、原生Redis是否真的适用于以上场景？

如上应用场景具有数据规模大、数据持续增长的特点，虽然原生Redis有良好的设计初衷，但是并不能解决实际问题。具体体现在：

1. 无法有效应对大规模数据：原生Redis是一个基于内存的数据库，单个节点存储容量有限，当扩展至TB级别的集群，将会出现管理困难，运维成本高等问题。
2. 集群扩容影响业务性能：原生Redis在进行集群扩容时，需要重新划分hash槽并进行数据迁移，必定会影响业务性能。
3. 数据可能会丢失：原生Redis虽然可以采用RDB和AOF的方式对数据进行持久化，但是并不会实时地将每一条命令写入到硬盘中，当出现掉电或集群崩溃的情况，必定会丢失一部分数据，对于类似智慧医疗场景，是难以忍受的。

除此以外，必须考虑数据库系统的可用性、数据一致性、成本和备份恢复能力等情况：

1. 可用性： 原生Redis若采用一主一备的集群模式，当一对主备节点下线，集群部分数据将不可用。
2. 数据一致性：当主节点宕机，主备节点切换，数据存在没有完全同步的情况。
3. 成本：原生Redis是一种内存型数据库，当内存容量扩展至TB级别，成本将非常昂贵。
4. 备份恢复：需要人工连接数据库执行 SAVE或BGSAVE命令，不能支持定期自动备份，在恢复到新实例时需要手动拷贝备份数据。

四、是否有更好的解决方案？

在以上场景中，亟需一种能够存储和处理大规模Stream数据、鲁棒性强、且成本低廉的数据库系统。而GaussDB(for Redis)（下文简称高斯Redis）正是以上场景中一种很好的应用解决方案。高斯Redis是华为云数据库团队自主研发的兼容Redis协议的云原生数据库，该数据库突破原生Redis的内存限制，可轻松扩展至PB级存储，具有秒扩容、超可用、强一致和低成本等特点。

五、总结

Redis Stream可以广泛应用在即时通讯、智慧医疗、流量削峰等领域。在面对大规模的Stream数据时，原生Redis存在成本过高、容量太小、可用性差、数据不一致等问题，无法适用于海量消息队列的场景。与原生Redis相比，高斯Redis具有海量存储，低成本，可持久化等优点，可做为比原生Redis更理想的Stream队列承载方案。

附：参考资料

1. 《华为云GaussDB(for Redis)与自建开源Redis的成本对比》

https://www.modb.pro/db/42739

2. 《一场由fork引发的超时，让我们重新探讨了Redis的抖动问题》

https://bbs.huaweicloud.com/blogs/227525

3. 《当Redis遇见计算存储分离》

https://developer.huaweicloud.com/hero/forum/thread-83188-1-1.html

4. 《GaussDB(for Redis)与原生Redis的性能对比》

https://bbs.huaweicloud.com/blogs/236949

5. 《华为云PB级数据库GaussDB(for Redis)揭秘第一期：Redis与存算分离》

https://bbs.huaweicloud.com/blogs/238584

 

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