深度解析Redis线程模型设计原理

JavaEdge 2020/9/2 8:04:36

全是干货的技术号: 本文已收录在github,欢迎 star/fork:https://github.com/Wasabi1234/Java-Interview-Tutorial1 单线程模型设计单线程模型为何效率高纯内存操作基于非阻塞的IO多路复用机制避免了多线程的频繁上下文切换2 文件事件处理器Redis 基于 Reactor 模式开发…

全是干货的技术号: 本文已收录在github,欢迎 star/fork:

https://github.com/Wasabi1234/Java-Interview-Tutorial

1 单线程模型设计

http://img1.sycdn.imooc.com/5f4e4a72000187df20031140.jpg

单线程模型为何效率高

  • 纯内存操作

  • 基于非阻塞的IO多路复用机制

  • 避免了多线程的频繁上下文切换

2 文件事件处理器

Redis 基于 Reactor 模式开发了自己的网络事件处理器 - 文件事件处理器(file event handler,后文简称为 FEH),而该处理器又是单线程的,所以redis设计为单线程模型。

  • 采用I/O多路复用同时监听多个socket,根据socket当前执行的事件来为 socket 选择对应的事件处理器。

  • 当被监听的socket准备好执行acceptreadwriteclose等操作时,和操作对应的文件事件就会产生,这时FEH就会调用socket之前关联好的事件处理器来处理对应事件。

所以虽然FEH是单线程运行,但通过I/O多路复用监听多个socket,不仅实现高性能的网络通信模型,又能和 Redis 服务器中其它同样单线程运行的模块交互,保证了Redis内部单线程模型的简洁设计。

  • 下面讲讲文件事件处理器的几个组成部分。 http://img4.sycdn.imooc.com/5f4e4a7300012a0e13780533.jpg

2.1 socket

文件事件就是对socket操作的抽象, 每当一个 socket 准备好执行连接accept、read、write、close等操作时, 就会产生一个文件事件。 一个服务器通常会连接多个socket, 多个socket可能并发产生不同操作,每个操作对应不同文件事件。

2.2 I/O多路复用程序

I/O 多路复用程序会负责监听多个socket。

尽管文件事件可能并发出现, 但 I/O 多路复用程序会将所有产生事件的socket放入队列, 通过该队列以有序、同步且每次一个socket的方式向文件事件分派器传送socket。 当上一个socket产生的事件被对应事件处理器执行完后, I/O 多路复用程序才会向文件事件分派器传送下个socket, 如下: http://img2.sycdn.imooc.com/5f4e4a74000113d911610282.jpg

I/O多路复用程序的实现

Redis 的 I/O 多路复用程序的所有功能都是通过包装常见的 select 、 epoll 、 evport 和 kqueue 这些 I/O 多路复用函数库实现的。 每个 I/O 多路复用函数库在 Redis 源码中都对应一个单独的文件: 

因为 Redis 为每个 I/O 多路复用函数库都实现了相同的 API , 所以 I/O 多路复用程序的底层实现是可以互换的。Redis 在 I/O 多路复用程序的实现源码ae.c文件中宏定义了相应规则,使得程序在编译时自动选择系统中性能最高的 I/O 多路复用函数库作为 Redis 的 I/O 多路复用程序的底层实现:性能降序排列。 http://img4.sycdn.imooc.com/5f4e4a750001475d19251082.jpg

2.3 文件事件分派器

文件事件分派器接收 I/O 多路复用程序传来的socket, 并根据socket产生的事件类型, 调用相应的事件处理器。

2.4 文件事件处理器

服务器会为执行不同任务的套接字关联不同的事件处理器, 这些处理器是一个个函数, 它们定义了某个事件发生时, 服务器应该执行的动作。

处理器映射

Redis 为各种文件事件需求编写了多个处理器,若客户端:

  • 连接Redis,对连接服务器的各个客户端进行应答,就需要将socket映射到连接应答处理器

  • 写数据到Redis,接收客户端传来的命令请求,就需要映射到命令请求处理器

  • 从Redis读数据,向客户端返回命令的执行结果,就需要映射到命令回复处理器

当主服务器和从服务器进行复制操作时, 主从服务器都需要映射到特别为复制功能编写的复制处理器。

2.5 文件事件的类型

I/O 多路复用程序可以监听多个socket的 ae.h/AE_READABLE 事件和 ae.h/AE_WRITABLE 事件, 这两类事件和套接字操作之间的对应关系如下:

  • 当socket可读(比如客户端对Redis执行write/close操作),或有新的可应答的socket出现时(即客户端对Redis执行connect操作),socket就会产生一个AE_READABLE事件 

  • 当socket可写时(比如客户端对Redis执行read操作),socket会产生一个AE_WRITABLE事件。 

I/O多路复用程序可以同时监听AE_REABLEAE_WRITABLE两种事件,要是一个socket同时产生这两种事件,那么文件事件分派器优先处理AE_REABLE事件。即一个socket又可读又可写时, Redis服务器先读后写socket。

3 总结

最后,让我们梳理一下客户端和Redis服务器通信的整个过程: http://img1.sycdn.imooc.com/5f4e4a7700018a8911710860.jpg

  1. Redis启动初始化时,将连接应答处理器跟AE_READABLE事件关联。

  2. 若一个客户端发起连接,会产生一个AE_READABLE事件,然后由连接应答处理器负责和客户端建立连接,创建客户端对应的socket,同时将这个socket的AE_READABLE事件和命令请求处理器关联,使得客户端可以向主服务器发送命令请求。

  3. 当客户端向Redis发请求时(不管读还是写请求),客户端socket都会产生一个AE_READABLE事件,触发命令请求处理器。处理器读取客户端的命令内容, 然后传给相关程序执行。

  4. 当Redis服务器准备好给客户端的响应数据后,会将socket的AE_WRITABLE事件和命令回复处理器关联,当客户端准备好读取响应数据时,会在socket产生一个AE_WRITABLE事件,由对应命令回复处理器处理,即将准备好的响应数据写入socket,供客户端读取。

  5. 命令回复处理器全部写完到 socket 后,就会删除该socket的AE_WRITABLE事件和命令回复处理器的映射。

参考

  • 《Redis 设计与实现》

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[深度解析Redis线程模型设计原理]http://www.zyiz.net/tech/detail-146527.html

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