Redis C++ 实现笔记（I篇） – 指南

本文将从一个高层次的角度，介绍如何用 C++ 实现一个简化版的 Redis，重点是对 Redis 的核心原理、常见数据结构及其 C++ 实现的解读。这里的内容旨在为你提供实现 Redis 所需的基本知识，并带你通过实现的步骤逐步掌握 Redis 的工作机制。

1. 项目概述

Redis 是一个开源的内存数据结构存储系统，广泛用于缓存和消息队列等场景。其核心特性包括：

  • 高性能，内存操作，支持常用的数据结构（字符串、哈希、列表、集合、有序集合等）。
  • 持久化支持，支持 AOF（Append Only File）和 RDB（Redis DataBase）两种持久化机制。
  • 发布订阅（Pub/Sub）等实时消息传递机制。

我们将在本文中介绍如何用 C++ 实现一个基本的 Redis，重点包括：

  • 基本的数据结构（String、List、Hash、Set、Sorted Set）。
  • 内存管理。
  • 客户端通信（使用简单的协议进行通信）。
  • 基本的命令处理。

2. 核心模块设计

2.1 数据结构模块

Redis 支持多种数据结构，以下是 Redis 中常见的几个数据结构，以及它们如何在 C++ 中实现：

2.1.1 字符串（String）

字符串是 Redis 最基础的类型。它存储一个二进制安全的字符串。通过 C++ 实现时，我们可以使用 std::string 来存储和操作。

class RedisString {
public:
    RedisString(const std::string &value) : value(value) {}

    void setValue(const std::string &newValue) {
        value = newValue;
    }

    std::string getValue() const {
        return value;
    }

private:
    std::string value;
};
2.1.2 列表（List）

Redis 列表是一个简单的链表，可以从头部和尾部插入和删除元素。在 C++ 中，通常可以使用 std::list 来实现。

#include <list>

class RedisList {
public:
    void pushFront(const std::string &value) {
        list.push_front(value);
    }

    void pushBack(const std::string &value) {
        list.push_back(value);
    }

    std::string popFront() {
        if (!list.empty()) {
            std::string value = list.front();
            list.pop_front();
            return value;
        }
        return "";
    }

    std::string popBack() {
        if (!list.empty()) {
            std::string value = list.back();
            list.pop_back();
            return value;
        }
        return "";
    }

private:
    std::list<std::string> list;
};
2.1.3 哈希（Hash）

Redis 哈希表用于存储键值对数据。在 C++ 中，可以使用 std::unordered_map 来实现哈希表。

#include <unordered_map>

class RedisHash {
public:
    void setField(const std::string &field, const std::string &value) {
        hashTable[field] = value;
    }

    std::string getField(const std::string &field) {
        if (hashTable.find(field) != hashTable.end()) {
            return hashTable[field];
        }
        return "";
    }

private:
    std::unordered_map<std::string, std::string> hashTable;
};
2.1.4 集合（Set）

集合是无序的唯一元素集合。在 C++ 中，我们可以使用 std::unordered_set 来实现集合。

#include <unordered_set>

class RedisSet {
public:
    void add(const std::string &value) {
        set.insert(value);
    }

    bool exists(const std::string &value) {
        return set.find(value) != set.end();
    }

    void remove(const std::string &value) {
        set.erase(value);
    }

private:
    std::unordered_set<std::string> set;
};
2.1.5 有序集合（Sorted Set）

有序集合是集合的扩展，其中每个元素有一个关联的分数。Redis 使用跳表实现有序集合，而在 C++ 中，我们可以使用 std::map 来实现（它是一个红黑树）。

#include <map>

class RedisZSet {
public:
    void add(const std::string &value, double score) {
        zSet[value] = score;
    }

    bool exists(const std::string &value) {
        return zSet.find(value) != zSet.end();
    }

    void remove(const std::string &value) {
        zSet.erase(value);
    }

    std::map<std::string, double> getAll() {
        return zSet;
    }

private:
    std::map<std::string, double> zSet;
};

2.2 内存管理

内存管理是 Redis 的核心之一。我们需要确保为每个数据结构分配和释放内存。通常，Redis 使用内存池来优化性能，在 C++ 中可以通过 std::shared_ptr 或者 std::unique_ptr 来管理内存。

#include <memory>

class RedisDatabase {
public:
    RedisDatabase() {
        // 初始化数据结构
    }

    std::shared_ptr<RedisString> getString(const std::string &key) {
        return std::make_shared<RedisString>("");
    }

    std::shared_ptr<RedisList> getList(const std::string &key) {
        return std::make_shared<RedisList>();
    }

    std::shared_ptr<RedisHash> getHash(const std::string &key) {
        return std::make_shared<RedisHash>();
    }

private:
    std::unordered_map<std::string, std::shared_ptr<RedisString>> strings;
    std::unordered_map<std::string, std::shared_ptr<RedisList>> lists;
    std::unordered_map<std::string, std::shared_ptr<RedisHash>> hashes;
};

3. 通信协议

Redis 使用自己的通信协议，叫做 RESP（Redis Serialization Protocol）。在 C++ 中实现 Redis 时，我们需要模拟一个类似 Redis 的客户端和服务端的通信方式。

3.1 基本命令结构

Redis 命令通常以 * 开头，表示参数数量，例如：

*3\r\n$3\r\nSET\r\n$3\r\nkey\r\n$5\r\nvalue\r\n

这表示命令 SET，并且有三个参数。

3.2 解析请求

我们需要实现一个简单的请求解析器来解析客户端发送的命令。在 C++ 中，可以用字符串处理和流解析的方式来实现。

#include <string>
#include <vector>
#include <sstream>

std::vector<std::string> parseCommand(const std::string &command) {
    std::vector<std::string> tokens;
    std::stringstream ss(command);
    std::string token;

    while (getline(ss, token, ' ')) {
        tokens.push_back(token);
    }

    return tokens;
}

3.3 响应客户端

Redis 的响应通常以 $ 开头表示一个字符串的长度。例如：

$3\r\nfoo\r\n

这表示一个字符串响应，值为 foo。

std::string createResponse(const std::string &response) {
    return "$" + std::to_string(response.length()) + "\r\n" + response + "\r\n";
}

4. 命令处理

Redis 的命令处理需要通过解析客户端的请求，根据不同的命令执行相应的操作。可以使用函数指针或者映射表来实现不同命令的处理。

std::unordered_map<std::string, std::function<std::string(std::vector<std::string>&)>> commandHandlers;

commandHandlers["SET"] = [](std::vector<std::string> &args) {
    // SET命令的处理逻辑
    return "OK";
};

commandHandlers["GET"] = [](std::vector<std::string> &args) {
    // GET命令的处理逻辑
    return "value";
};

5. 总结

到这里，我们简要介绍了如何使用 C++ 实现一个简化版的 Redis，包括核心数据结构（如字符串、列表、哈希、集合、有序集合）的实现，内存管理的基础，以及简单的命令解析和响应机制。

本文提供的内容只是一个入门级的实现，真正的 Redis 实现中还涉及到复杂的持久化机制（RDB、AOF）、集群、事务和发布订阅等内容。如果你想深入了解 Redis 的更多功能，建议查看 Redis 的源代码，并结合官方文档进行学习。

如果你有进一步的疑问或想探讨更深入的实现细节，随时欢迎提问！