並發伺服器（五）：Redis 案例研究

這是我寫的並發網路伺服器系列文章的第五部分。在前四部分中我們討論了並發伺服器的結構，這篇文章我們將去研究一個在生產系統中大量使用的伺服器的案例—— Redis。

Redis 是一個非常有魅力的項目，我關注它很久了。它最讓我著迷的一點就是它的 C 源代碼非常清晰。它也是一個高性能、大並發的內存資料庫伺服器的非常好的例子，它是研究網路並發伺服器的一個非常好的案例，因此，我們不能錯過這個好機會。

我們來看看前四部分討論的概念在真實世界中的應用程序。

本系列的所有文章有：

• 第一節 - 簡介
• 第二節 - 線程
• 第三節 - 事件驅動
• 第四節 - libuv
• 第五節 - Redis 案例研究

事件處理庫

Redis 最初發佈於 2009 年，它最牛逼的一件事情大概就是它的速度 —— 它能夠處理大量的並發客戶端連接。需要特別指出的是，它是用一個單線程來完成的，而且還不對保存在內存中的數據使用任何複雜的鎖或者同步機制。

Redis 之所以如此牛逼是因為，它在給定的系統上使用了其可用的最快的事件循環，並將它們封裝成由它實現的事件循環庫（在 Linux 上是 epoll，在 BSD 上是 kqueue，等等）。這個庫的名字叫做 ae。ae 使得編寫一個快速伺服器變得很容易，只要在它內部沒有阻塞即可，而 Redis 則保證 ^注1 了這一點。

在這裡，我們的興趣點主要是它對文件事件的支持 —— 當文件描述符（如網路套接字）有一些有趣的未決事情時將調用註冊的回調函數。與 libuv 類似，ae 支持多路事件循環（參閱本系列的第三節和第四節）和不應該感到意外的 aeCreateFileEvent 信號：

int aeCreateFileEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask,
                      aeFileProc *proc, void *clientData);

它在 fd 上使用一個給定的事件循環，為新的文件事件註冊一個回調（proc）函數。當使用的是 epoll 時，它將調用 epoll_ctl 在文件描述符上添加一個事件（可能是 EPOLLIN、EPOLLOUT、也或許兩者都有，取決於 mask 參數）。ae 的 aeProcessEvents 功能是 「運行事件循環和發送回調函數」，它在底層調用了 epoll_wait。

處理客戶端請求

我們通過跟蹤 Redis 伺服器代碼來看一下，ae 如何為客戶端事件註冊回調函數的。initServer 啟動時，通過註冊一個回調函數來讀取正在監聽的套接字上的事件，通過使用回調函數 acceptTcpHandler 來調用 aeCreateFileEvent。當新的連接可用時，這個回調函數被調用。它調用 accept ^注2 ，接下來是 acceptCommonHandler，它轉而去調用 createClient 以初始化新客戶端連接所需要的數據結構。

createClient 的工作是去監聽來自客戶端的入站數據。它將套接字設置為非阻塞模式（一個非同步事件循環中的關鍵因素）並使用 aeCreateFileEvent 去註冊另外一個文件事件回調函數以讀取事件 —— readQueryFromClient。每當客戶端發送數據，這個函數將被事件循環調用。

readQueryFromClient 就讓我們期望的那樣 —— 解析客戶端命令和動作，並通過查詢和/或操作數據來回復。因為客戶端套接字是非阻塞的，所以這個函數必須能夠處理 EAGAIN，以及部分數據；從客戶端中讀取的數據是累積在客戶端專用的緩衝區中，而完整的查詢可能被分割在回調函數的多個調用當中。

將數據發送回客戶端

在前面的內容中，我說到了 readQueryFromClient 結束了發送給客戶端的回復。這在邏輯上是正確的，因為 readQueryFromClient 準備要發送回復，但它不真正去做實質的發送 —— 因為這裡並不能保證客戶端套接字已經準備好寫入/發送數據。我們必須為此使用事件循環機制。

Redis 是這樣做的，它註冊一個 beforeSleep 函數，每次事件循環即將進入休眠時，調用它去等待套接字變得可以讀取/寫入。beforeSleep 做的其中一件事情就是調用 handleClientsWithPendingWrites。它的作用是通過調用 writeToClient 去嘗試立即發送所有可用的回復；如果一些套接字不可用時，那麼當套接字可用時，它將註冊一個事件循環去調用 sendReplyToClient。這可以被看作為一種優化 —— 如果套接字可用於立即發送數據（一般是 TCP 套接字），這時並不需要註冊事件 ——直接發送數據。因為套接字是非阻塞的，它從不會去阻塞循環。

為什麼 Redis 要實現它自己的事件庫？

在 第四節 中我們討論了使用 libuv 來構建一個非同步並發伺服器。需要注意的是，Redis 並沒有使用 libuv，或者任何類似的事件庫，而是它去實現自己的事件庫 —— ae，用 ae 來封裝 epoll、kqueue 和 select。事實上，Antirez（Redis 的創建者）恰好在 2011 年的一篇文章 中回答了這個問題。他的回答的要點是：ae 只有大約 770 行他理解的非常透徹的代碼；而 libuv 代碼量非常巨大，也沒有提供 Redis 所需的額外功能。

現在，ae 的代碼大約增長到 1300 多行，比起 libuv 的 26000 行（這是在沒有 Windows、測試、示例、文檔的情況下的數據）來說那是小巫見大巫了。libuv 是一個非常綜合的庫，這使它更複雜，並且很難去適應其它項目的特殊需求；另一方面，ae 是專門為 Redis 設計的，與 Redis 共同演進，只包含 Redis 所需要的東西。

這是我 前些年在一篇文章中 提到的軟體項目依賴關係的另一個很好的示例：

依賴的優勢與在軟體項目上花費的工作量成反比。

在某種程度上，Antirez 在他的文章中也提到了這一點。他提到，提供大量附加價值（在我的文章中的「基礎」 依賴）的依賴比像 libuv 這樣的依賴更有意義（它的例子是 jemalloc 和 Lua），對於 Redis 特定需求，其功能的實現相當容易。

Redis 中的多線程

在 Redis 的絕大多數歷史中，它都是一個不折不扣的單線程的東西。一些人覺得這太不可思議了，有這種想法完全可以理解。Redis 本質上是受網路束縛的 —— 只要資料庫大小合理，對於任何給定的客戶端請求，其大部分延時都是浪費在網路等待上，而不是在 Redis 的數據結構上。

然而，現在事情已經不再那麼簡單了。Redis 現在有幾個新功能都用到了線程：

1. 「惰性」 內存釋放。
2. 在後台線程中使用 fsync 調用寫一個 持久化日誌。
3. 運行需要執行一個長周期運行的操作的用戶定義模塊。

對於前兩個特性，Redis 使用它自己的一個簡單的 bio（它是 「Background I/O" 的首字母縮寫）庫。這個庫是根據 Redis 的需要進行了硬編碼，它不能用到其它的地方 —— 它運行預設數量的線程，每個 Redis 後台作業類型需要一個線程。

而對於第三個特性，Redis 模塊 可以定義新的 Redis 命令，並且遵循與普通 Redis 命令相同的標準，包括不阻塞主線程。如果在模塊中自定義的一個 Redis 命令，希望去執行一個長周期運行的操作，這將創建一個線程在後台去運行它。在 Redis 源碼樹中的 src/modules/helloblock.c 提供了這樣的一個示例。

有了這些特性，Redis 使用線程將一個事件循環結合起來，在一般的案例中，Redis 具有了更快的速度和彈性，這有點類似於在本系統文章中 第四節 討論的工作隊列。

• 注1： Redis 的一個核心部分是：它是一個 內存中 資料庫；因此，查詢從不會運行太長的時間。當然了，這將會帶來各種各樣的其它問題。在使用分區的情況下，伺服器可能最終路由一個請求到另一個實例上；在這種情況下，將使用非同步 I/O 來避免阻塞其它客戶端。
• 注2： 使用 anetAccept；anet 是 Redis 對 TCP 套接字代碼的封裝。

via: https://eli.thegreenplace.net/2017/concurrent-servers-part-5-redis-case-study/

作者：Eli Bendersky 譯者：qhwdw 校對：wxy

本文由 LCTT 原創編譯，Linux中國 榮譽推出

本文轉載來自 Linux 中國: https://github.com/Linux-CN/archive