Redis 單線(xiàn)程還高并發(fā)？不沖突嗎？

作者：佚名 2019-11-25 10:13:52

最近在看 UNIX 網(wǎng)絡(luò)編程并研究了一下 Redis 的實(shí)現(xiàn)，感覺(jué) Redis 的源代碼十分適合閱讀和分析，其中 I/O 多路復(fù)用(mutiplexing)部分的實(shí)現(xiàn)非常干凈和優(yōu)雅，在這里想對(duì)這部分的內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)單的整理。

幾種 I/O 模型

Blocking I/O
I/O 多路復(fù)用

Reactor 設(shè)計(jì)模式

I/O 多路復(fù)用模塊

封裝 select 函數(shù)
封裝 epoll 函數(shù)
子模塊的選擇

總結(jié)

Reference

[[283505]]

幾種 I/O 模型

為什么 Redis 中要使用 I/O 多路復(fù)用這種技術(shù)呢?

首先，Redis 是跑在單線(xiàn)程中的，所有的操作都是按照順序線(xiàn)性執(zhí)行的，但是由于讀寫(xiě)操作等待用戶(hù)輸入或輸出都是阻塞的，所以 I/O 操作在一般情況下往往不能直接返回，這會(huì)導(dǎo)致某一文件的 I/O 阻塞導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程無(wú)法對(duì)其它客戶(hù)提供服務(wù)，而 I/O 多路復(fù)用就是為了解決這個(gè)問(wèn)題而出現(xiàn)的。

Blocking I/O

先來(lái)看一下傳統(tǒng)的阻塞 I/O 模型到底是如何工作的：當(dāng)使用 read 或者 write 對(duì)某一個(gè)文件描述符(File Descriptor 以下簡(jiǎn)稱(chēng) FD)進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，如果當(dāng)前 FD 不可讀或不可寫(xiě)，整個(gè) Redis 服務(wù)就不會(huì)對(duì)其它的操作作出響應(yīng)，導(dǎo)致整個(gè)服務(wù)不可用。

這也就是傳統(tǒng)意義上的，也就是我們?cè)诰幊讨惺褂米疃嗟淖枞Ｐ停?/p>

blocking-io

阻塞模型雖然開(kāi)發(fā)中非常常見(jiàn)也非常易于理解，但是由于它會(huì)影響其他 FD 對(duì)應(yīng)的服務(wù)，所以在需要處理多個(gè)客戶(hù)端任務(wù)的時(shí)候，往往都不會(huì)使用阻塞模型。

I/O 多路復(fù)用

雖然還有很多其它的 I/O 模型，但是在這里都不會(huì)具體介紹。

阻塞式的 I/O 模型并不能滿(mǎn)足這里的需求，我們需要一種效率更高的 I/O 模型來(lái)支撐 Redis 的多個(gè)客戶(hù)(redis-cli)，這里涉及的就是 I/O 多路復(fù)用模型了：

I:O-Multiplexing-Mode

在 I/O 多路復(fù)用模型中，最重要的函數(shù)調(diào)用就是 select，該方法的能夠同時(shí)監(jiān)控多個(gè)文件描述符的可讀可寫(xiě)情況，當(dāng)其中的某些文件描述符可讀或者可寫(xiě)時(shí)，select 方法就會(huì)返回可讀以及可寫(xiě)的文件描述符個(gè)數(shù)。

關(guān)于 select 的具體使用方法，在網(wǎng)絡(luò)上資料很多，這里就不過(guò)多展開(kāi)介紹了;

與此同時(shí)也有其它的 I/O 多路復(fù)用函數(shù) epoll/kqueue/evport，它們相比 select 性能更優(yōu)秀，同時(shí)也能支撐更多的服務(wù)。

Reactor 設(shè)計(jì)模式

Redis 服務(wù)采用 Reactor 的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)文件事件處理器(每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接其實(shí)都對(duì)應(yīng)一個(gè)文件描述符)

redis-reactor-pattern

文件事件處理器使用 I/O 多路復(fù)用模塊同時(shí)監(jiān)聽(tīng)多個(gè) FD，當(dāng) accept、read、write 和 close 文件事件產(chǎn)生時(shí)，文件事件處理器就會(huì)回調(diào) FD 綁定的事件處理器。

雖然整個(gè)文件事件處理器是在單線(xiàn)程上運(yùn)行的，但是通過(guò) I/O 多路復(fù)用模塊的引入，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)多個(gè) FD 讀寫(xiě)的監(jiān)控，提高了網(wǎng)絡(luò)通信模型的性能，同時(shí)也可以保證整個(gè) Redis 服務(wù)實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單。

I/O 多路復(fù)用模塊

I/O 多路復(fù)用模塊封裝了底層的 select、epoll、avport 以及 kqueue 這些 I/O 多路復(fù)用函數(shù)，為上層提供了相同的接口。

ae-module

在這里我們簡(jiǎn)單介紹 Redis 是如何包裝 select 和 epoll 的，簡(jiǎn)要了解該模塊的功能，整個(gè) I/O 多路復(fù)用模塊抹平了不同平臺(tái)上 I/O 多路復(fù)用函數(shù)的差異性，提供了相同的接口：

static int aeApiCreate(aeEventLoop *eventLoop)
static int aeApiResize(aeEventLoop *eventLoop, int setsize)
static void aeApiFree(aeEventLoop *eventLoop)
static int aeApiAddEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask)
static void aeApiDelEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask)
static int aeApiPoll(aeEventLoop *eventLoop, struct timeval *tvp)

同時(shí)，因?yàn)楦鱾€(gè)函數(shù)所需要的參數(shù)不同，我們?cè)诿恳粋€(gè)子模塊內(nèi)部通過(guò)一個(gè) aeApiState 來(lái)存儲(chǔ)需要的上下文信息：

// select 
typedef struct aeApiState { 
    fd_set rfds, wfds; 
    fd_set _rfds, _wfds; 
} aeApiState; 
 
// epoll 
typedef struct aeApiState { 
    int epfd; 
    struct epoll_event *events; 
} aeApiState;

這些上下文信息會(huì)存儲(chǔ)在 eventLoop 的 void *state 中，不會(huì)暴露到上層，只在當(dāng)前子模塊中使用。

封裝 select 函數(shù)

select 可以監(jiān)控 FD 的可讀、可寫(xiě)以及出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況。

在介紹 I/O 多路復(fù)用模塊如何對(duì) select 函數(shù)封裝之前，先來(lái)看一下 select 函數(shù)使用的大致流程：

int fd = /* file descriptor */ 
 
fd_set rfds; 
FD_ZERO(&rfds); 
FD_SET(fd, &rfds) 
 
for ( ; ; ) { 
    select(fd+1, &rfds, NULL, NULL, NULL); 
    if (FD_ISSET(fd, &rfds)) { 
        /* file descriptor `fd` becomes readable */ 
    } 
}

初始化一個(gè)可讀的 fd_set 集合，保存需要監(jiān)控可讀性的 FD;
使用 FD_SET 將 fd 加入 rfds;
調(diào)用 select 方法監(jiān)控 rfds 中的 FD 是否可讀;
當(dāng) select 返回時(shí)，檢查 FD 的狀態(tài)并完成對(duì)應(yīng)的操作。

而在 Redis 的 ae_select 文件中代碼的組織順序也是差不多的，首先在 aeApiCreate 函數(shù)中初始化 rfds 和 wfds：

static int aeApiCreate(aeEventLoop *eventLoop) { 
    aeApiState *state = zmalloc(sizeof(aeApiState)); 
    if (!state) return -1; 
    FD_ZERO(&state->rfds); 
    FD_ZERO(&state->wfds); 
    eventLoop->apidata = state; 
    return 0; 
}

而 aeApiAddEvent 和 aeApiDelEvent 會(huì)通過(guò) FD_SET 和 FD_CLR 修改 fd_set 中對(duì)應(yīng) FD 的標(biāo)志位：

整個(gè) ae_select 子模塊中最重要的函數(shù)就是 aeApiPoll，它是實(shí)際調(diào)用 select 函數(shù)的部分，其作用就是在 I/O 多路復(fù)用函數(shù)返回時(shí)，將對(duì)應(yīng)的 FD 加入 aeEventLoop 的 fired 數(shù)組中，并返回事件的個(gè)數(shù)：

static int aeApiPoll(aeEventLoop *eventLoop, struct timeval *tvp) { 
    aeApiState *state = eventLoop->apidata; 
    int retval, j, numevents = 0; 
 
    memcpy(&state->_rfds,&state->rfds,sizeof(fd_set)); 
    memcpy(&state->_wfds,&state->wfds,sizeof(fd_set)); 
 
    retval = select(eventLoop->maxfd+1, 
                &state->_rfds,&state->_wfds,NULL,tvp); 
    if (retval > 0) { 
        for (j = 0; j <= eventloop-="">maxfd; j++) { 
            int mask = 0; 
            aeFileEvent *fe = &eventLoop->events[j]; 
 
            if (fe->mask == AE_NONE) continue; 
            if (fe->mask & AE_READABLE && FD_ISSET(j,&state->_rfds)) 
                mask |= AE_READABLE; 
            if (fe->mask & AE_WRITABLE && FD_ISSET(j,&state->_wfds)) 
                mask |= AE_WRITABLE; 
            eventLoop->fired[numevents].fd = j; 
            eventLoop->fired[numevents].mask = mask; 
            numevents++; 
        } 
    } 
    return numevents; 
}

封裝 epoll 函數(shù)

Redis 對(duì) epoll 的封裝其實(shí)也是類(lèi)似的，使用 epoll_create 創(chuàng)建 epoll 中使用的 epfd：

static int aeApiCreate(aeEventLoop *eventLoop) { 
    aeApiState *state = zmalloc(sizeof(aeApiState)); 
 
    if (!state) return -1; 
    state->events = zmalloc(sizeof(struct epoll_event)*eventLoop->setsize); 
    if (!state->events) { 
        zfree(state); 
        return -1; 
    } 
    state->epfd = epoll_create(1024); /* 1024 is just a hint for the kernel */ 
    if (state->epfd == -1) { 
        zfree(state->events); 
        zfree(state); 
        return -1; 
    } 
    eventLoop->apidata = state; 
    return 0; 
}

在 aeApiAddEvent 中使用 epoll_ctl 向 epfd 中添加需要監(jiān)控的 FD 以及監(jiān)聽(tīng)的事件：

static int aeApiAddEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask) { 
    aeApiState *state = eventLoop->apidata; 
    struct epoll_event ee = {0}; /* avoid valgrind warning */ 
    /* If the fd was already monitored for some event, we need a MOD 
     * operation. Otherwise we need an ADD operation. */ 
    int op = eventLoop->events[fd].mask == AE_NONE ? 
            EPOLL_CTL_ADD : EPOLL_CTL_MOD; 
 
    ee.events = 0; 
    mask |= eventLoop->events[fd].mask; /* Merge old events */ 
    if (mask & AE_READABLE) ee.events |= EPOLLIN; 
    if (mask & AE_WRITABLE) ee.events |= EPOLLOUT; 
    ee.data.fd = fd; 
    if (epoll_ctl(state->epfd,op,fd,&ee) == -1) return -1; 
    return 0; 
}

由于 epoll 相比 select 機(jī)制略有不同，在 epoll_wait 函數(shù)返回時(shí)并不需要遍歷所有的 FD 查看讀寫(xiě)情況;在 epoll_wait 函數(shù)返回時(shí)會(huì)提供一個(gè) epoll_event 數(shù)組：

typedef union epoll_data { 
    void    *ptr; 
    int      fd; /* 文件描述符 */ 
    uint32_t u32; 
    uint64_t u64; 
} epoll_data_t; 
 
struct epoll_event { 
    uint32_t     events; /* Epoll 事件 */ 
    epoll_data_t data; 
};

其中保存了發(fā)生的 epoll 事件(EPOLLIN、EPOLLOUT、EPOLLERR 和 EPOLLHUP)以及發(fā)生該事件的 FD。

aeApiPoll 函數(shù)只需要將 epoll_event 數(shù)組中存儲(chǔ)的信息加入 eventLoop 的 fired 數(shù)組中，將信息傳遞給上層模塊：

static int aeApiPoll(aeEventLoop *eventLoop, struct timeval *tvp) { 
    aeApiState *state = eventLoop->apidata; 
    int retval, numevents = 0; 
 
    retval = epoll_wait(state->epfd,state->events,eventLoop->setsize, 
            tvp ? (tvp->tv_sec*1000 + tvp->tv_usec/1000) : -1); 
    if (retval > 0) { 
        int j; 
 
        numevents = retval; 
        for (j = 0; j < numevents; j++) { 
            int mask = 0; 
            struct epoll_event *e = state->events+j; 
 
            if (e->events & EPOLLIN) mask |= AE_READABLE; 
            if (e->events & EPOLLOUT) mask |= AE_WRITABLE; 
            if (e->events & EPOLLERR) mask |= AE_WRITABLE; 
            if (e->events & EPOLLHUP) mask |= AE_WRITABLE; 
            eventLoop->fired[j].fd = e->data.fd; 
            eventLoop->fired[j].mask = mask; 
        } 
    } 
    return numevents; 
}

子模塊的選擇

因?yàn)?Redis 需要在多個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行，同時(shí)為了最大化執(zhí)行的效率與性能，所以會(huì)根據(jù)編譯平臺(tái)的不同選擇不同的 I/O 多路復(fù)用函數(shù)作為子模塊，提供給上層統(tǒng)一的接口;在 Redis 中，我們通過(guò)宏定義的使用，合理的選擇不同的子模塊：

#ifdef HAVE_EVPORT 
#include "ae_evport.c" 
#else 
    #ifdef HAVE_EPOLL 
    #include "ae_epoll.c" 
    #else 
        #ifdef HAVE_KQUEUE 
        #include "ae_kqueue.c" 
        #else 
        #include "ae_select.c" 
        #endif 
    #endif 
#endif

因?yàn)?select 函數(shù)是作為 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)中的系統(tǒng)調(diào)用，在不同版本的操作系統(tǒng)上都會(huì)實(shí)現(xiàn)，所以將其作為保底方案：

redis-choose-io-function

Redis 會(huì)優(yōu)先選擇時(shí)間復(fù)雜度為

的 I/O 多路復(fù)用函數(shù)作為底層實(shí)現(xiàn)，包括 Solaries 10 中的 evport、Linux 中的 epoll 和 macOS/FreeBSD 中的 kqueue，上述的這些函數(shù)都使用了內(nèi)核內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，并且能夠服務(wù)幾十萬(wàn)的文件描述符。

但是如果當(dāng)前編譯環(huán)境沒(méi)有上述函數(shù)，就會(huì)選擇 select 作為備選方案，由于其在使用時(shí)會(huì)掃描全部監(jiān)聽(tīng)的描述符，所以其時(shí)間復(fù)雜度較差，并且只能同時(shí)服務(wù) 1024 個(gè)文件描述符，所以一般并不會(huì)以 select 作為第一方案使用。