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Redis Modules API：C/C++ 模块开发的最佳实践

好的，各位观众，欢迎来到今天的Redis Modules API讲座！今天我们不搞虚头巴脑的，直接上干货，手把手带大家玩转Redis Modules API，让你的Redis也能像瑞士军刀一样，想干啥就干啥！

第一部分：Redis Modules API 是个啥？

首先，咱得搞清楚Redis Modules API是干嘛的。简单来说，就是Redis官方提供的一套C/C++接口，允许你用C/C++编写自定义的功能模块，然后加载到Redis服务器中，扩展Redis的能力。

想象一下，Redis原本只能存字符串、列表、集合、哈希表这些基本数据结构，如果你想存个更复杂的数据结构，比如树、图，或者想实现一些特殊的算法，比如图像处理、机器学习，怎么办？用Modules API啊！

这就像给Redis装了个插件，让它从一台普通的数据库，变成了一台拥有无限可能的超级数据库。

第二部分：为什么要用 Redis Modules API？

你可能会问，我用Redis不挺好的吗？为什么要费劲巴拉地写C/C++模块？

原因很简单：

  • 性能！性能！还是性能！ C/C++是系统级语言，性能比脚本语言（如Lua）高得多。对于计算密集型的任务，用C/C++模块可以显著提高性能。
  • 扩展性！ Redis内置的数据结构和命令是有限的，Modules API允许你自定义数据结构和命令，满足各种奇奇怪怪的需求。
  • 与其他库的集成！ C/C++可以方便地调用其他第三方库，比如图像处理库、机器学习库，让Redis具备更强大的能力。
  • 代码重用！ 你可以将一些通用的功能封装成模块，供多个Redis实例使用，提高代码重用率。

总而言之，Modules API就是Redis的“外挂”，让你能突破Redis本身的限制，打造更强大的Redis应用。

第三部分：Hello, World! 第一个Redis Module

废话不多说，咱们直接上手写一个最简单的Redis Module，功能就是定义一个新的命令hello.world，调用后返回字符串 "Hello, Redis Module!"。

  1. 创建源文件 hello.c:
#include <redismodule.h>

int HelloWorldCommand(RedisModuleCtx *ctx, RedisModuleString **argv, int argc) {
  REDISMODULE_CHECK_ARITY(argc, 1, 1); // 检查参数个数，必须是1个
  RedisModule_ReplyWithString(ctx, RedisModule_CreateString(ctx, "Hello, Redis Module!", strlen("Hello, Redis Module!")));
  return REDISMODULE_OK;
}

int RedisModule_OnLoad(RedisModuleCtx *ctx, RedisModuleString **argv, int argc) {
  if (RedisModule_Init(ctx, "hello", 1, REDISMODULE_APIVER_1) == REDISMODULE_ERR) {
    return REDISMODULE_ERR;
  }

  if (RedisModule_CreateCommand(ctx, "hello.world", HelloWorldCommand, "readonly", 1, 1, 1) == REDISMODULE_ERR) {
    return REDISMODULE_ERR;
  }

  return REDISMODULE_OK;
}

  1. 编译源文件:

    你需要先安装Redis的开发包，然后用以下命令编译：

gcc -fPIC -shared hello.c -o hello.so -I/path/to/redis/src

注意把 /path/to/redis/src 替换成你的Redis源码目录。如果你是从Redis官网下载的源码，解压后就能找到 src 目录。

  1. 加载模块:

    在Redis的配置文件 redis.conf 中添加一行：

loadmodule /path/to/hello.so

把 /path/to/hello.so 替换成你编译生成的 hello.so 文件的路径。或者，你也可以在Redis客户端中使用 MODULE LOAD 命令加载：

redis-cli MODULE LOAD /path/to/hello.so

  1. 测试:

    重启Redis服务器，然后在Redis客户端中执行命令：

127.0.0.1:6379> hello.world
"Hello, Redis Module!"

看到这个结果，恭喜你，你的第一个Redis Module就成功了！

代码解析：

  • #include <redismodule.h>: 引入Redis Modules API的头文件。
  • RedisModule_OnLoad(): 这是模块的入口函数，当模块被加载时，Redis会调用这个函数。
  • RedisModule_Init(): 初始化模块，指定模块名、版本号和API版本。
  • RedisModule_CreateCommand(): 创建一个新的命令，指定命令名、处理函数、标志位等。
  • HelloWorldCommand(): 这是命令的处理函数，当用户执行 hello.world 命令时，Redis会调用这个函数。
  • RedisModule_ReplyWithString(): 向客户端发送字符串回复。
  • RedisModule_CreateString(): 创建一个Redis字符串对象。
  • REDISMODULE_CHECK_ARITY(): 检查命令参数的个数。

第四部分：Modules API 常用函数详解

上面只是一个简单的例子，Modules API的功能远不止于此。下面我们来详细介绍一些常用的API函数：

1. 字符串操作:

  • RedisModule_CreateString(RedisModuleCtx *ctx, const char *str, size_t len): 创建一个Redis字符串对象。
  • RedisModule_CreateStringFromString(RedisModuleCtx *ctx, RedisModuleString *s): 从另一个Redis字符串对象创建一个新的字符串对象。
  • RedisModule_StringPtrLen(RedisModuleString *s, size_t *len): 获取Redis字符串对象的指针和长度。
  • RedisModule_FreeString(RedisModuleCtx *ctx, RedisModuleString *s): 释放Redis字符串对象。

2. 数据类型操作:

  • RedisModule_SetValue(RedisModuleCtx *ctx, RedisModuleString *key, int type, void *value): 设置一个键的值，指定数据类型和值。
  • RedisModule_GetValue(RedisModuleCtx *ctx, RedisModuleString *key, int *type): 获取一个键的值，返回数据类型。
  • RedisModule_DeleteKey(RedisModuleCtx *ctx, RedisModuleString *key): 删除一个键。

3. 回复客户端:

  • RedisModule_ReplyWithString(RedisModuleCtx *ctx, RedisModuleString *s): 向客户端发送字符串回复。
  • RedisModule_ReplyWithLongLong(RedisModuleCtx *ctx, long long ll): 向客户端发送整数回复。
  • RedisModule_ReplyWithDouble(RedisModuleCtx *ctx, double d): 向客户端发送浮点数回复。
  • RedisModule_ReplyWithError(RedisModuleCtx *ctx, const char *err): 向客户端发送错误回复。
  • RedisModule_ReplyWithArray(RedisModuleCtx *ctx, long len): 向客户端发送数组回复，需要先调用这个函数，然后逐个添加数组元素。
  • RedisModule_ReplyWithNull(RedisModuleCtx *ctx): 向客户端发送空回复。

4. 其他常用函数:

  • RedisModule_Log(RedisModuleCtx *ctx, const char *level, const char *fmt, ...): 记录日志，level 可以是 "debug", "verbose", "notice", "warning"。
  • RedisModule_GetContextFlags(RedisModuleCtx *ctx): 获取上下文标志，可以用来判断当前是否在读写复制流中。
  • RedisModule_Call(RedisModuleCtx *ctx, const char *cmd, const char *fmt, ...): 调用Redis内置命令。

表格：常用Redis Modules API 函数总结

函数名 功能
RedisModule_CreateString() 创建一个Redis字符串对象
RedisModule_StringPtrLen() 获取Redis字符串对象的指针和长度
RedisModule_SetValue() 设置一个键的值，指定数据类型和值
RedisModule_GetValue() 获取一个键的值，返回数据类型
RedisModule_DeleteKey() 删除一个键
RedisModule_ReplyWithString() 向客户端发送字符串回复
RedisModule_ReplyWithLongLong() 向客户端发送整数回复
RedisModule_ReplyWithDouble() 向客户端发送浮点数回复
RedisModule_ReplyWithError() 向客户端发送错误回复
RedisModule_ReplyWithArray() 向客户端发送数组回复
RedisModule_ReplyWithNull() 向客户端发送空回复
RedisModule_Log() 记录日志
RedisModule_Call() 调用Redis内置命令
REDISMODULE_CHECK_ARITY() 检查命令参数的个数

第五部分：实战演练：一个简单的计数器模块

现在，让我们来写一个稍微复杂一点的Redis Module，实现一个简单的计数器功能。我们需要定义两个命令：

  • counter.incr <key>: 将指定键的计数器加1，如果键不存在，则创建并初始化为0。
  • counter.get <key>: 获取指定键的计数器的值。
#include <redismodule.h>
#include <stdio.h>

int CounterIncrCommand(RedisModuleCtx *ctx, RedisModuleString **argv, int argc) {
  REDISMODULE_CHECK_ARITY(argc, 2, 2);

  RedisModuleString *key = argv[1];
  long long value;
  int type = REDISMODULE_T_STRING; // 默认类型是字符串

  // 尝试获取键的值
  if (RedisModule_GetValue(ctx, key, &type) == REDISMODULE_ERR) {
    value = 0; // 键不存在，初始化为0
  } else {
    // 键存在，判断类型是否为字符串
    if (type != REDISMODULE_T_STRING) {
      RedisModule_ReplyWithError(ctx, "Key exists but is not a string");
      return REDISMODULE_ERR;
    }

    // 获取字符串的值，并转换为整数
    size_t len;
    const char *str = RedisModule_StringPtrLen(RedisModule_GetValue(ctx, key, &type), &len);
    if (str == NULL) {
        value = 0;
    } else {
        if (sscanf(str, "%lld", &value) != 1) {
            RedisModule_ReplyWithError(ctx, "String value is not a valid integer");
            return REDISMODULE_ERR;
        }
    }

  }

  // 计数器加1
  value++;

  // 将新的值转换为字符串
  char buf[32];
  snprintf(buf, sizeof(buf), "%lld", value);
  RedisModuleString *newValue = RedisModule_CreateString(ctx, buf, strlen(buf));

  // 设置键的值
  if (RedisModule_SetValue(ctx, key, REDISMODULE_T_STRING, newValue) == REDISMODULE_ERR) {
    RedisModule_ReplyWithError(ctx, "Failed to set value");
    RedisModule_FreeString(ctx, newValue); // 释放字符串
    return REDISMODULE_ERR;
  }

  RedisModule_ReplyWithLongLong(ctx, value); // 返回新的值
  RedisModule_FreeString(ctx, newValue);      // 释放字符串
  return REDISMODULE_OK;
}

int CounterGetCommand(RedisModuleCtx *ctx, RedisModuleString **argv, int argc) {
  REDISMODULE_CHECK_ARITY(argc, 2, 2);

  RedisModuleString *key = argv[1];
  long long value;
  int type = REDISMODULE_T_STRING;

  // 尝试获取键的值
  if (RedisModule_GetValue(ctx, key, &type) == REDISMODULE_ERR) {
    value = 0; // 键不存在，返回0
  } else {
    // 键存在，判断类型是否为字符串
    if (type != REDISMODULE_T_STRING) {
      RedisModule_ReplyWithError(ctx, "Key exists but is not a string");
      return REDISMODULE_ERR;
    }
      size_t len;
      const char *str = RedisModule_StringPtrLen(RedisModule_GetValue(ctx, key, &type), &len);
      if (str == NULL) {
          value = 0;
      } else {
          if (sscanf(str, "%lld", &value) != 1) {
              RedisModule_ReplyWithError(ctx, "String value is not a valid integer");
              return REDISMODULE_ERR;
          }
      }
  }

  RedisModule_ReplyWithLongLong(ctx, value); // 返回计数器的值
  return REDISMODULE_OK;
}

int RedisModule_OnLoad(RedisModuleCtx *ctx, RedisModuleString **argv, int argc) {
  if (RedisModule_Init(ctx, "counter", 1, REDISMODULE_APIVER_1) == REDISMODULE_ERR) {
    return REDISMODULE_ERR;
  }

  if (RedisModule_CreateCommand(ctx, "counter.incr", CounterIncrCommand, "write", 1, 1, 1) == REDISMODULE_ERR) {
    return REDISMODULE_ERR;
  }

  if (RedisModule_CreateCommand(ctx, "counter.get", CounterGetCommand, "readonly", 1, 1, 1) == REDISMODULE_ERR) {
    return REDISMODULE_ERR;
  }

  return REDISMODULE_OK;
}

代码解析：

  • CounterIncrCommand(): 实现计数器加1的功能。首先尝试获取键的值，如果键不存在，则初始化为0。然后将计数器加1，并将新的值设置回键中。
  • CounterGetCommand(): 实现获取计数器值的功能。如果键不存在，则返回0。
  • REDISMODULE_T_STRING: 表示数据类型为字符串。
  • "write" 和 "readonly": 这是命令的标志位，"write" 表示命令会修改数据，"readonly" 表示命令只读取数据。

编译和加载：

按照之前的步骤，编译并加载这个模块。

测试：

127.0.0.1:6379> counter.incr mycounter
(integer) 1
127.0.0.1:6379> counter.incr mycounter
(integer) 2
127.0.0.1:6379> counter.get mycounter
(integer) 2
127.0.0.1:6379> counter.get anothercounter
(integer) 0

第六部分：最佳实践和注意事项

  • 错误处理！ 在Modules API中，错误处理非常重要。一定要检查函数的返回值，并根据错误码进行相应的处理。
  • 内存管理！ Redis Modules API使用手动内存管理。你需要负责分配和释放内存，避免内存泄漏。RedisModule_FreeString() 一定要及时调用。
  • 线程安全！ Redis是单线程的，但是Modules API可以在后台线程中执行任务。如果你的模块需要在后台线程中访问Redis数据，需要注意线程安全问题。可以使用 Redis提供的锁机制，例如 RedisModule_LockKey 和 RedisModule_UnlockKey。
  • 数据类型选择！ 根据实际需求选择合适的数据类型。如果需要存储复杂的数据结构，可以考虑使用Redis的list、set、hash等数据结构，或者自定义数据结构。
  • 避免阻塞！ 尽量避免在命令处理函数中执行耗时的操作，以免阻塞Redis服务器。可以将耗时的操作放到后台线程中执行。
  • 使用Redis提供的工具！ Redis提供了一些工具，可以帮助你开发和调试Modules，比如 redis-cli --eval 可以用来执行Lua脚本，redis-server --module-config 可以用来配置模块参数。
  • 命名冲突！ 创建的命令最好带上模块名前缀，例如 mymodule.command，以避免与其他模块或Redis内置命令冲突。

第七部分：进阶技巧

  • 自定义数据类型: Modules API允许你定义自己的数据类型，例如树、图等。这需要你实现一些额外的函数，比如数据类型的序列化和反序列化函数。
  • 阻塞命令: 你可以创建阻塞命令，让客户端等待某个条件满足后再返回结果。这需要使用Redis的阻塞队列和信号量。
  • 事件通知: Modules API允许你注册事件通知，当Redis发生某些事件时，你的模块会收到通知。例如，你可以注册键过期事件，当某个键过期时，你的模块会收到通知。

第八部分：总结

Redis Modules API是一个强大的工具，可以让你扩展Redis的功能，满足各种奇奇怪怪的需求。虽然学习曲线可能有点陡峭，但是一旦掌握了，你就能打造出更强大的Redis应用。

希望今天的讲座能帮助大家入门Redis Modules API。记住，实践是检验真理的唯一标准！赶紧动手试试吧！

祝大家编程愉快！

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