Redis IO模型

Redis IO模型使用的是基于 Reactor 模式的 I/O 多路复用模型。这个模型通过单线程事件循环来处理所有的客户端请求和响应。

基本模式

1. Reactor 模式

Reactor 模式是一种用于处理并发 I/O 操作的设计模式。它包含以下几个组件：

多路复用器（Multiplexer）：负责监听多个 I/O 事件，如读、写、连接等。
事件处理器（Event Handler）：处理特定事件的回调函数。

2. Redis 的 I/O 多路复用

Redis 使用操作系统提供的 I/O 多路复用机制，如 select、poll、epoll 或 kqueue。这些机制可以在单个线程中监视多个文件描述符，以便在任何一个描述符准备好进行 I/O 操作时通知应用程序。

主要步骤：

事件循环初始化：创建和初始化事件循环及相应的多路复用器。
事件注册：将客户端套接字上的读写事件注册到多路复用器。
事件等待：调用多路复用器的方法，如 select 或 epoll_wait，等待事件发生。
事件分发：当事件发生时，多路复用器会返回就绪的文件描述符列表。
事件处理：根据事件类型调用相应的事件处理器（读事件、写事件等）。
响应客户端：将处理结果返回给客户端。

基本原理

Redis 的 I/O 模型实现原理，需要深入了解其事件驱动框架和多路复用机制。

1. 事件驱动框架

Redis 的事件驱动框架主要由以下几个组件组成：

事件循环（Event Loop）：这是事件驱动模型的核心，负责管理所有的 I/O 事件。
事件类型（Event Types）：Redis 主要处理两种事件：文件事件（File Events）和时间事件（Time Events）。
事件处理器（Event Handlers）：每个事件类型都有相应的事件处理器。

Redis 使用 aeEventLoop 结构体来管理事件循环，包含了文件事件和时间事件的注册、取消、处理等功能。

2. I/O 多路复用

Redis 使用操作系统提供的 I/O 多路复用机制，如 select、poll、epoll（Linux）或 kqueue（BSD系统），这些系统调用允许一个线程同时监视多个文件描述符。

多路复用器（Multiplexer）

在 Redis 中，多路复用器通过 aeApi 结构体进行抽象，并根据操作系统的不同实现选择不同的多路复用策略：

ae_select.c：基于 select 系统调用。
ae_epoll.c：基于 epoll 系统调用。
ae_kqueue.c：基于 kqueue 系统调用。

3. Redis 的事件处理流程

Redis 的事件处理流程大致如下：

事件循环初始化

aeEventLoop *aeCreateEventLoop(int setsize) {
    aeEventLoop *eventLoop = zmalloc(sizeof(*eventLoop));

    // 初始化事件循环
    eventLoop->events = zmalloc(sizeof(aeFileEvent)*setsize);
    eventLoop->fired = zmalloc(sizeof(aeFiredEvent)*setsize);
    eventLoop->setsize = setsize;
    eventLoop->timeEventHead = NULL;
    eventLoop->timeEventNextId = 0;
    eventLoop->stop = 0;

    // 初始化多路复用API
    if (aeApiCreate(eventLoop) == -1) {
        zfree(eventLoop->events);
        zfree(eventLoop->fired);
        zfree(eventLoop);
        return NULL;
    }

    return eventLoop;
}

事件注册

int aeCreateFileEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask,
                      aeFileProc *proc, void *clientData) {
    if (fd >= eventLoop->setsize) return AE_ERR;

    aeFileEvent *fe = &eventLoop->events[fd];
    if (aeApiAddEvent(eventLoop, fd, mask) == -1)
        return AE_ERR;

    fe->mask |= mask;
    if (mask & AE_READABLE) fe->rfileProc = proc;
    if (mask & AE_WRITABLE) fe->wfileProc = proc;
    fe->clientData = clientData;

    return AE_OK;
}

事件等待

int aeApiPoll(aeEventLoop *eventLoop, struct timeval *tvp) {
    int retval, numevents = 0;

    retval = epoll_wait(eventLoop->apidata->epfd, eventLoop->apidata->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 = eventLoop->apidata->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;
}

事件处理

void aeProcessEvents(aeEventLoop *eventLoop, int flags) {
    int processed = 0, numevents;

    if (!(flags & AE_TIME_EVENTS) && !(flags & AE_FILE_EVENTS)) return;

    if (eventLoop->maxfd != -1) {
        numevents = aeApiPoll(eventLoop, tvp);
        for (j = 0; j < numevents; j++) {
            aeFileEvent *fe = &eventLoop->events[eventLoop->fired[j].fd];
            int mask = eventLoop->fired[j].mask;
            int fd = eventLoop->fired[j].fd;
            int rfired = 0;

            if (fe->mask & mask & AE_READABLE) {
                rfired = 1;
                fe->rfileProc(eventLoop,fd,fe->clientData,mask);
            }
            if (fe->mask & mask & AE_WRITABLE) {
                if (!rfired || fe->wfileProc != fe->rfileProc)
                    fe->wfileProc(eventLoop,fd,fe->clientData,mask);
            }
            processed++;
        }
    }

    if (flags & AE_TIME_EVENTS)
        processed += processTimeEvents(eventLoop);

    return processed;
}

单线程的优势

避免锁竞争：由于 Redis 运行在单线程中，所有操作都是原子的，不需要加锁机制来保护共享资源，简化了实现。
CPU 缓存友好：在单线程中，数据访问模式更加线性，减少了 CPU 缓存失效，提高了缓存命中率。
性能：由于 Redis 的大部分操作是内存操作，并且操作系统的多路复用机制非常高效，单线程模型能够提供足够高的性能。
原子性：单线程模型确保每个命令是原子执行的，不会出现数据竞争问题。

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