redis学习（一）

背景

redis是一个高性能的KV数据库，在工作中经常用到，可被用作缓存、分布式锁等，作为被高频使用的组件，了解其实现对工作有很大帮助（包括面试）。为此，在对redis有一定的使用、了解之后，希望通过阅读其源码，理解redis实现过程，由简单到复杂地分析其源码，并尝试对源码从零到一地复现，以此来加深对redis的理解。

由于时间原因，无法一次性将所有的代码在短时间内理解，所以在学习过程中，尝试在每个阶段制定一个简单的目标，然后根据源码去实现。

redis版本：5.0.13，redis各版本源码下载链接。

目标

此次学习目标为：实现redis server，接收redis client请求。

原理

redis client与server之间基于tcp通信，且使用IO复用的技术。

实现细节

redisServer

redis定义了一个数据结构：redisServer，用来管理server相关的信息。其定义如下：

struct redisServer {

    aeEventLoop *el;

    /* 网络 */
    int port;                     /* TCP监听端口 */
    int tcp_backlog;              /* TCP listen() backlog */
    int ipfd[CONFIG_BINDADDR_MAX]; /* TCP socket文件描述符 */
    int ipfd_count;               /* 正在使用的ipfd的索引 */
    char neterr[ANET_ERR_LEN];   /* anet.c中错误信息的buffer */
    list *clients;                /* 活跃客户端 */
    /* 限制 */
    unsigned int maxclients;      /* 最多能同时存在的最大clients数 */
    /* 配置 */
    int verbosity;                /* 日志等级, redis.conf中配置 */
    int tcpkeepalive;             /* 如果非0，则设置SO_KEEPALIVE */
};

本次实现只考虑redisServer能接收client的请求，只将一些必要的数据列出，实际的数据远不止这些。

整体流程

先来看下整体流程：

主流程包括3步：

1. 初始化配置initServerConfig：初始化redsiServer中的各数据默认值
2. 初始化服务initServer：创建时间处理对象，监听端口，设置收到client连接时的回调函数
3. 进入事件处理主函数aeMain：调用epoll，监听待处理的事件，当有事件就绪时处理事件

初始化默认值，就是对服务运行需要的一些参数设置默认值，比较简单，此处不做过多介绍，具体细节可参考代码。下面主要说一下initServer和aeMain是如何使用IO复用的技术来处理网络请求。

initServer

initServer主要流程如下，标红部分为IO多路复用关键代码：

initServer主要包含以下步骤：

• 初始化clients：clients实际是一个列表，这里初始化仅仅是创建了一个空列表。
• aeCreateEventLoop：初始化事件处理相关的数据，调用epoll_create来创建IO复用相关的文件描述符。
• listenToPort：创建socket，监听对应的端口（默认6379，在initServerConfig时赋值），同时将其设置为非阻塞IO（O_NONBLOCK）。
• aeCreateFileEvent：调用epoll_ctl，将socket文件描述符可读事件注册到epoll中。同时，将文件可读时的处理函数设置为acceptTcpHandler。

其实，InitServer中的关键代码涉及的知识点是socket编程、IO多路复用。如果对IO多路复用不了解，建议学习这本书：《Linux高性能服务器编程》。

aeMain

aeMain为一个while(true)的循环（实际是while(!server.el->stop)，在没有收到停止的信号是，即为while(true)），循环里面调用aeProcessEvents来处理，其主要步骤有：

• aeApiPoll：调用epoll_wait，获取注册到epfd中文件描述符的就绪事件，并设置事件的类型
• rfileProc：如果为读事件，则调用该函数
• wfileProc：如果为写事件，则调用该函数

初始状态下，epfd中仅监听了server.ipfd，即server socket的可读事件，该事件是在initServer时注册，rfileProc被设置为acceptTcpHandler。以下是acceptTcpHandler的主要流程：

主要步骤为：

• anetTcpAccept：调用accept，获取client的ip和端口，以及client对应的socket(cfd)
• acceptCommonHandler：创建一个client对象，用于管理对应的client状态和数据，创建client对象的主要步骤：
  • anetNonBlock：将client的连接设置为非阻塞连接。
  • anetEnableTcpNoDelay：调用setsockopt，设置TCP_NODELAY。该标志具体含义可自行查阅，个人理解为：redis为了能尽快响应每个请求，在处理完成之后，需要立即返回client数据，舍弃了整体网络的最优化，因为如果TCP每次传输的数据过少，可能会导致网络传输数据的利用率低，如果未设置TCP_NODELAY，则server端处理完成之后，可能不能立即返回client数据，需要积攒一波数据之后一次发出，这可能导致单个请求耗时增加。
  • anetKeepAlive：通过setsockopot，设置tcp keepalive相关的参数，具体含义自行查阅，代码中也有相应的注释。
  • aeCreateFileEvent：将client对应的文件描述符cfd可读事件注册到epfd中，并设置可读事件处理函数为readQueryFromClient。
  • linkClient：将client链接到server.clients这个链表的尾部。

当有client请求与server建立连接时，acceptTcpHandler被执行，同时这个连接通过struct client进行管理，与client关联的socket（cfd）可读事件被注册到epfd中，如果client发送数据到server，在aeMain中，epoll_wait会返回cfd可读，在aeApiPoll中将该事件记录在server.fired中，然后调用cfd对应的rfileProc，即：readQueryFromClient。

本次学习，仅考虑接收到client发送的数据，并不处理，所以readQueryFromClient，本次实现时，只打印接收到的client数据。

数据结构

这里对上述的代码中，总结所有用到的数据结构。对每一个数据结构，仅列出与本文相关的部分，便于理解。

redisServer

struct redisServer {

    aeEventLoop *el;

    /* 网络 */
    int port;                     /* TCP监听端口 */
    int tcp_backlog;              /* TCP listen() backlog */
    int ipfd[CONFIG_BINDADDR_MAX]; /* TCP socket文件描述符 */
    int ipfd_count;               /* 正在使用的ipfd的索引 */
    char neterr[ANET_ERR_LEN];   /* anet.c中错误信息的buffer */
    list *clients;                /* 活跃客户端 */
    /* 限制 */
    unsigned int maxclients;      /* 最多能同时存在的最大clients数 */
    /* 配置 */
    int verbosity;                /* 日志等级, redis.conf中配置 */
    int tcpkeepalive;             /* 如果非0，则设置SO_KEEPALIVE */
};

aeEventLoop

typedef struct aeEventLoop {
    int maxfd;           /* 当前注册的文件描述符中的最大的 */
    int setsize;         /* 最多能管理的文件描述符数量 */
    aeFileEvent *events; /* 注册的事件 */
    aeFiredEvent *fired; /* 激活的事件 */
    int stop;
    void *apidata;       /* polling API需要使用的数据 */
} aeEventLoop;

aeFileEvent

typedef void aeFileProc(struct aeEventLoop *eventLoop, int fd, void *clientData, int mask);

typedef struct aeFileEvent {
    int mask; /* 可选值: AE_(READABLE|WRITABLE|BARRIER) */
    aeFileProc *rfileProc;
    aeFileProc *wfileProc;
    void *clientData;
} aeFileEvent;

aeFiredEvent

/* 激活的事件 */
typedef struct aeFiredEvent {
    int fd;
    int mask;              
} aeFiredEvent;

client

typedef struct client {
    int fd;                     /* client socket */
    listNode *client_list_node; /* client在server clients列表中的哪个节点 */
} client;

list

typedef struct listNode {
    struct listNode *prev;
    struct listNode *next;
    void *value;
} listNode;

typedef struct list {
    listNode *head;
    listNode *tail;
    void (*free)(void *ptr);
    unsigned long len;
} list;

aeApiState

typedef struct aeApiState {
    int epfd;
    struct epoll_event *events;
} aeApiState;

总览

代码结构

效果

client端：

server端：

client端通过redis源码编译得到，server端是本次实现的redis代码。可以看到，server端可以收到client端传过来的数据，具体的数据含义待后续学习去理解。

附录

本次功能实现的代码链接。