探索Redis設計與實現10:Redis的事件驅動模型與命令執行過程

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該系列博文會告訴你如何從入門到進階,Redis基本的使用方法,Redis的基本數據結構,以及一些進階的使用方法,同時也需要進一步瞭解Redis的底層數據結構,再接着,還會帶來Redis主從複製、集羣、分佈式鎖等方面的相關內容,以及作爲緩存的一些使用方法和注意事項,以便讓你更完整地瞭解整個Redis相關的技術體系,形成自己的知識框架。

如果對本系列文章有什麼建議,或者是有什麼疑問的話,也可以關注公衆號【Java技術江湖】聯繫作者,歡迎你參與本系列博文的創作和修訂。

原文地址:https://www.xilidou.com/2018/03/22/redis-event/

Redis 是一個事件驅動的內存數據庫,服務器需要處理兩種類型的事件。

文件事件
時間事件
下面就會介紹這兩種事件的實現原理。

文件事件
Redis 服務器通過 socket 實現與客戶端(或其他redis服務器)的交互,文件事件就是服務器對 socket 操作的抽象。 Redis 服務器,通過監聽這些 socket 產生的文件事件並處理這些事件,實現對客戶端調用的響應。

Reactor
Redis 基於 Reactor 模式開發了自己的事件處理器。

這裏就先展開講一講 Reactor 模式。看下圖:
image
reactor

“I/O 多路複用模塊”會監聽多個 FD ,當這些FD產生,accept,read,write 或 close 的文件事件。會向“文件事件分發器(dispatcher)”傳送事件。

文件事件分發器(dispatcher)在收到事件之後,會根據事件的類型將事件分發給對應的 handler。

我們順着圖,從上到下的逐一講解 Redis 是怎麼實現這個 Reactor 模型的。

I/O 多路複用模塊
Redis 的 I/O 多路複用模塊,其實是封裝了操作系統提供的 select,epoll,avport 和 kqueue 這些基礎函數。向上層提供了一個統一的接口,屏蔽了底層實現的細節。

一般而言 Redis 都是部署到 Linux 系統上,所以我們就看看使用 Redis 是怎麼利用 linux 提供的 epoll 實現I/O 多路複用。

首先看看 epoll 提供的三個方法:

/*
 * 創建一個epoll的句柄,size用來告訴內核這個監聽的數目一共有多大
 */
int epoll_create(int size);

/*
 * 可以理解爲,增刪改 fd 需要監聽的事件
 * epfd 是 epoll_create() 創建的句柄。
 * op 表示 增刪改
 * epoll_event 表示需要監聽的事件,Redis 只用到了可讀,可寫,錯誤,掛斷 四個狀態
 */
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

/*
 * 可以理解爲查詢符合條件的事件
 * epfd 是 epoll_create() 創建的句柄。
 * epoll_event 用來存放從內核得到事件的集合
 * maxevents 獲取的最大事件數
 * timeout 等待超時時間
 */
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
再看 Redis 對文件事件,封裝epoll向上提供的接口:


/*
 * 事件狀態
 */
typedef struct aeApiState {

    // epoll_event 實例描述符
    int epfd;

    // 事件槽
    struct epoll_event *events;

} aeApiState;

/*
 * 創建一個新的 epoll 
 */
static int  aeApiCreate(aeEventLoop *eventLoop)
/*
 * 調整事件槽的大小
 */
static int  aeApiResize(aeEventLoop *eventLoop, int setsize)
/*
 * 釋放 epoll 實例和事件槽
 */
static void aeApiFree(aeEventLoop *eventLoop)
/*
 * 關聯給定事件到 fd
 */
static int  aeApiAddEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask)
/*
 * 從 fd 中刪除給定事件
 */
static void aeApiDelEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask)
/*
 * 獲取可執行事件
 */
static int  aeApiPoll(aeEventLoop *eventLoop, struct timeval *tvp)

所以看看這個ae_peoll.c 如何對 epoll 進行封裝的:

aeApiCreate() 是對 epoll.epoll_create() 的封裝。
aeApiAddEvent()和aeApiDelEvent() 是對 epoll.epoll_ctl()的封裝。
aeApiPoll() 是對 epoll_wait()的封裝。
這樣 Redis 的利用 epoll 實現的 I/O 複用器就比較清晰了。

再往上一層次我們需要看看 ea.c 是怎麼封裝的?

首先需要關注的是事件處理器的數據結構:

typedef struct aeFileEvent {

    // 監聽事件類型掩碼,
    // 值可以是 AE_READABLE 或 AE_WRITABLE ,
    // 或者 AE_READABLE | AE_WRITABLE
    int mask; /* one of AE_(READABLE|WRITABLE) */

    // 讀事件處理器
    aeFileProc *rfileProc;

    // 寫事件處理器
    aeFileProc *wfileProc;

    // 多路複用庫的私有數據
    void *clientData;

} aeFileEvent;

mask 就是可以理解爲事件的類型。

除了使用 ae_peoll.c 提供的方法外,ae.c 還增加 “增刪查” 的幾個 API。

增:aeCreateFileEvent
刪:aeDeleteFileEvent
查: 查包括兩個維度 aeGetFileEvents 獲取某個 fd 的監聽類型和aeWait等待某個fd 直到超時或者達到某個狀態。
事件分發器(dispatcher)
Redis 的事件分發器 ae.c/aeProcessEvents 不但處理文件事件還處理時間事件,所以這裏只貼與文件分發相關的出部分代碼,dispather 根據 mask 調用不同的事件處理器。

//從 epoll 中獲關注的事件
numevents = aeApiPoll(eventLoop, tvp);
for (j = 0; j < numevents; j++) {
    // 從已就緒數組中獲取事件
    aeFileEvent *fe = &eventLoop->events[eventLoop->fired[j].fd];

    int mask = eventLoop->fired[j].mask;
    int fd = eventLoop->fired[j].fd;
    int rfired = 0;

    // 讀事件
    if (fe->mask & mask & AE_READABLE) {
        // rfired 確保讀/寫事件只能執行其中一個
        rfired = 1;
        fe->rfileProc(eventLoop,fd,fe->clientData,mask);
    }
    // 寫事件
    if (fe->mask & mask & AE_WRITABLE) {
        if (!rfired || fe->wfileProc != fe->rfileProc)
            fe->wfileProc(eventLoop,fd,fe->clientData,mask);
    }

    processed++;
}

可以看到這個分發器,根據 mask 的不同將事件分別分發給了讀事件和寫事件。

文件事件處理器的類型
Redis 有大量的事件處理器類型,我們就講解處理一個簡單命令涉及到的三個處理器:

acceptTcpHandler 連接應答處理器,負責處理連接相關的事件,當有client 連接到Redis的時候們就會產生 AE_READABLE 事件。引發它執行。
readQueryFromClinet 命令請求處理器,負責讀取通過 sokect 發送來的命令。
sendReplyToClient 命令回覆處理器,當Redis處理完命令,就會產生 AE_WRITEABLE 事件,將數據回覆給 client。
文件事件實現總結
我們按照開始給出的 Reactor 模型,從上到下講解了文件事件處理器的實現,下面將會介紹時間時間的實現。

時間事件
Reids 有很多操作需要在給定的時間點進行處理,時間事件就是對這類定時任務的抽象。

先看時間事件的數據結構:

/* Time event structure
 *
 * 時間事件結構
 */
typedef struct aeTimeEvent {

    // 時間事件的唯一標識符
    long long id; /* time event identifier. */

    // 事件的到達時間
    long when_sec; /* seconds */
    long when_ms; /* milliseconds */

    // 事件處理函數
    aeTimeProc *timeProc;

    // 事件釋放函數
    aeEventFinalizerProc *finalizerProc;

    // 多路複用庫的私有數據
    void *clientData;

    // 指向下個時間事件結構,形成鏈表
    struct aeTimeEvent *next;

} aeTimeEvent;

看見 next 我們就知道這個 aeTimeEvent 是一個鏈表結構。看圖:
image

timeEvent

注意這是一個按照id倒序排列的鏈表,並沒有按照事件順序排序。

processTimeEvent
Redis 使用這個函數處理所有的時間事件,我們整理一下執行思路:

記錄最新一次執行這個函數的時間,用於處理系統時間被修改產生的問題。
遍歷鏈表找出所有 when_sec 和 when_ms 小於現在時間的事件。
執行事件對應的處理函數。
檢查事件類型,如果是週期事件則刷新該事件下一次的執行事件。
否則從列表中刪除事件。
綜合調度器(aeProcessEvents)
綜合調度器是 Redis 統一處理所有事件的地方。我們梳理一下這個函數的簡單邏輯:

// 1. 獲取離當前時間最近的時間事件
shortest = aeSearchNearestTimer(eventLoop);

// 2. 獲取間隔時間
timeval = shortest - nowTime;

// 如果timeval 小於 0,說明已經有需要執行的時間事件了。
if(timeval < 0){
    timeval = 0
}

// 3. 在 timeval 時間內,取出文件事件。
numevents = aeApiPoll(eventLoop, timeval);

// 4.根據文件事件的類型指定不同的文件處理器
if (AE_READABLE) {
    // 讀事件
    rfileProc(eventLoop,fd,fe->clientData,mask);
}
    // 寫事件
if (AE_WRITABLE) {
    wfileProc(eventLoop,fd,fe->clientData,mask);
}

以上的僞代碼就是整個 Redis 事件處理器的邏輯。

我們可以再看看誰執行了這個 aeProcessEvents:

void aeMain(aeEventLoop *eventLoop) {

    eventLoop->stop = 0;

    while (!eventLoop->stop) {

        // 如果有需要在事件處理前執行的函數,那麼運行它
        if (eventLoop->beforesleep != NULL)
            eventLoop->beforesleep(eventLoop);

        // 開始處理事件
        aeProcessEvents(eventLoop, AE_ALL_EVENTS);
    }
}

然後我們再看看是誰調用了 eaMain:

int main(int argc, char **argv) {
    //一些配置和準備
    ...
    aeMain(server.el);
    
    //結束後的回收工作
    ...
}

我們在 Redis 的 main 方法中找個了它。

這個時候我們整理出的思路就是:

Redis 的 main() 方法執行了一些配置和準備以後就調用 eaMain() 方法。

eaMain() while(true) 的調用 aeProcessEvents()。

所以我們說 Redis 是一個事件驅動的程序,期間我們發現,Redis 沒有 fork 過任何線程。所以也可以說 Redis 是一個基於事件驅動的單線程應用。

總結
在後端的面試中 Redis 總是一個或多或少會問到的問題。

讀完這篇文章你也許就能回答這幾個問題:

爲什麼 Redis 是一個單線程應用?
爲什麼 Redis 是一個單線程應用,卻有如此高的性能?
如果你用本文提供的知識點回答這兩個問題,一定會在面試官心中留下一個高大的形象。

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