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为什么单线程的Redis却能支撑高并发？

百家作者：51CTO技术栈 2019-05-06 11:04:43

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最近在看 Unix?网络编程并研究了一下 Redis 的实现，感觉 Redis 的源代码十分适合阅读和分析，其中 I/O 多路复用部分的实现非常干净和优雅，在这里想对这部分的内容进行简单的整理。

几种 I/O 模型

为什么 Redis 中要使用 I/O 多路复用这种技术呢？首先，Redis 是跑在单线程中的，所有的操作都是按照顺序线性执行的。

但是由于读写操作等待用户输入或输出都是阻塞的，所以 I/O 操作在一般情况下往往不能直接返回。

这会导致某一文件的 I/O 阻塞导致整个进程无法对其他客户提供服务，而?I/O 多路复用就是为了解决这个问题而出现的。

Blocking I/O

先来看一下传统的阻塞 I/O 模型到底是如何工作的：当使用 Read?或者 Write?对某一个文件描述符（File Descriptor 以下简称 FD)进行读写时。

如果当前 FD 不可读或不可写，整个 Redis 服务就不会对其他的操作作出响应，导致整个服务不可用。

这也就是传统意义上的，我们在编程中使用最多的阻塞模型：

阻塞模型虽然开发中非常常见也非常易于理解，但是由于它会影响其他 FD 对应的服务，所以在需要处理多个客户端任务的时候，往往都不会使用阻塞模型。

I/O 多路复用

虽然还有很多其他的 I/O 模型，但是在这里都不会具体介绍。阻塞式的 I/O 模型并不能满足这里的需求，我们需要一种效率更高的 I/O 模型来支撑 Redis 的多个客户（redis-cli）。

这里涉及的就是 I/O 多路复用模型了：

在 I/O 多路复用模型中，最重要的函数调用就是 Select，该方法能够同时监控多个文件描述符的可读可写情况。

当其中的某些文件描述符可读或者可写时， Select 方法就会返回可读以及可写的文件描述符个数。

关于 Select 的具体使用方法，在网络上资料很多，这里就不过多展开介绍了。

与此同时也有其他的 I/O 多路复用函数 Epoll/Kqueue/Evport，它们相比 Select 性能更优秀，同时也能支撑更多的服务。

Reactor 设计模式

Redis 服务采用 Reactor 的方式来实现文件事件处理器。（每一个网络连接其实都对应一个文件描述符）

文件事件处理器使用 I/O 多路复用模块同时监听多个 FD，当 Accept、 Read、 Write?和 Close 文件事件产生时，文件事件处理器就会回调 FD 绑定的事件处理器。

虽然整个文件事件处理器是在单线程上运行的，但是通过 I/O 多路复用模块的引入，实现了同时对多个 FD 读写的监控，提高了网络通信模型的性能，同时也可以保证整个 Redis 服务实现的简单。

I/O 多路复用模块

I/O 多路复用模块封装了底层的 Select、 Epoll、 Avport?以及 Kqueue 这些 I/O 多路复用函数，为上层提供了相同的接口。

在这里我们简单介绍 Redis 是如何包装 Select?和 Epoll 的，简要了解该模块的功能，整个 I/O 多路复用模块抹平了不同平台上 I/O 多路复用函数的差异性，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)

同时，因为各个函数所需要的参数不同，我们在每一个子模块内部通过一个 aeApiState 来存储需要的上下文信息：

//?select
typedef?struct?aeApiState?{
????fd_set?rfds,?wfds;
????fd_set?_rfds,?_wfds;
}?aeApiState;

//?epoll
typedef?struct?aeApiState?{
????int?epfd;
????struct?epoll_event?*events;
}?aeApiState;

这些上下文信息会存储在 eventLoop?的 void*state 中，不会暴露到上层，只在当前子模块中使用。

封装 Select 函数

Select 可以监控 FD 的可读、可写以及出现错误的情况。在介绍 I/O 多路复用模块如何对 Select?函数封装之前，先来看一下 Select 函数使用的大致流程：

初始化一个可读的 fd_set 集合，保存需要监控可读性的 FD。
使用 FD_SET?将 fd?加入 RFDS。
调用 Select?方法监控 RFDS 中的 FD 是否可读。
当 Select 返回时，检查 FD 的状态并完成对应的操作。

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?*/
????}
}

而在 Redis 的 ae_select?文件中代码的组织顺序也是差不多的，首先在 aeApiCreate?函数中初始化 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?会通过 FD_SET?和 FD_CLR?修改 fd_set 中对应 FD 的标志位：

static?int?aeApiAddEvent(aeEventLoop?*eventLoop,?int?fd,?int?mask)?{
????aeApiState?*state?=?eventLoop->apidata;
????if?(mask?&?AE_READABLE)?FD_SET(fd,&state->rfds);
????if?(mask?&?AE_WRITABLE)?FD_SET(fd,&state->wfds);
????return?0;
}

整个 ae_select?子模块中最重要的函数就是 aeApiPoll，它是实际调用 Select?函数的部分，其作用就是在 I/O 多路复用函数返回时，将对应的 FD 加入 aeEventLoop?的 Fired 数组中，并返回事件的个数：

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;
}

封装 Epoll 函数

Redis 对 Epoll?的封装其实也是类似的，使用 epoll_create?创建 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 中添加需要监控的 FD 以及监听的事件：

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?机制略有不同，在 epoll_wait 函数返回时并不需要遍历所有的 FD 查看读写情况。

在 epoll_wait?函数返回时会提供一个 epoll_event 数组：

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;
};

其中保存了发生的 Epoll?事件（ EPOLLIN、 EPOLLOUT、 EPOLLERR?和 EPOLLHUP）以及发生该事件的 FD。

aeApiPoll?函数只需要将 epoll_event?数组中存储的信息加入 eventLoop?的 Fired 数组中，将信息传递给上层模块：

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;
}

子模块的选择

因为 Redis 需要在多个平台上运行，同时为了最大化执行的效率与性能，所以会根据编译平台的不同选择不同的 I/O 多路复用函数作为子模块，提供给上层统一的接口。

在 Redis 中，我们通过宏定义的使用，合理的选择不同的子模块：

#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