前言

好的，今天我們要上黃金段位了，如果還沒經(jīng)歷過青銅和白銀階段的，可以先去蹭蹭經(jīng)驗(yàn)再回來：

• 從零單排學(xué)Redis【青銅】

• 從零單排學(xué)Redis【白銀】

看過相關(guān)Redis基礎(chǔ)的同學(xué)可以知道Redis是單線程的，很多面試題也很可能會(huì)問到“為什么Redis是單線程的還那么快”。

這篇文章來講講單線程的內(nèi)部的原理。

文本力求簡單講清每個(gè)知識(shí)點(diǎn)，希望大家看完能有所收獲

一、基礎(chǔ)鋪墊

在講解Redis之前，我們先來一些基礎(chǔ)的鋪墊，有更好的閱讀體驗(yàn)。

1.1 網(wǎng)路編程

我們?cè)诔鯇W(xué)Java的時(shí)候肯定會(huì)學(xué)過網(wǎng)絡(luò)編程這一章節(jié)的，當(dāng)時(shí)學(xué)完寫的應(yīng)用可能就是“網(wǎng)絡(luò)聊天室”。

寫出來的效果可能就是在console噼里啪啦的輸入數(shù)據(jù)，然后噼里啪啦的返回?cái)?shù)據(jù)，就完事了..(扎心了)

網(wǎng)絡(luò)編程可簡單分為TCP和UPD兩種，一般我們更多關(guān)注的是TCP。TCP網(wǎng)絡(luò)編程在Java中封裝成Socket和SocketServer，我們來回顧一下最簡單的TCP網(wǎng)絡(luò)編程吧：

TCP客戶端

public?class?ClientDemo?{public?static?void?main(String[]?args)?throws?IOException?{//創(chuàng)建發(fā)送端的Socket對(duì)象Socket?s?=?new?Socket("192.168.1.106",8888);//Socket對(duì)象可以獲取輸出流OutputStream?os?=?s.getOutputStream();os.write("hello,tcp,我來了".getBytes());s.close();} }

TCP服務(wù)端：

public?class?ServerDemo?{public?static?void?main(String[]?args)?throws?IOException?{//創(chuàng)建接收端的Socket對(duì)象ServerSocket?ss?=?new?ServerSocket(8888);//監(jiān)聽客戶端連接，返回一個(gè)對(duì)應(yīng)的Socket對(duì)象//偵聽并接受到此套接字的連接，此方法會(huì)阻塞Socket?s?=?ss.accept();//獲取輸入流，讀取數(shù)據(jù)InputStream?is?=?s.getInputStream();byte[]?bys?=?new?byte[1024];int?len?=?is.read(bys);String?str?=?new?String?(bys,0,len);String?ip?=?s.getInetAddress().getHostAddress();System.out.println(ip?+?"????---"?+str);//釋放資源s.close();//ss.close();??} }

上面的代碼就可以實(shí)現(xiàn)：客戶端向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，服務(wù)端能夠接收客戶端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。

1.2 IO多路復(fù)用

之前我已經(jīng)寫過Java NIO的文章了，Java的NIO也是基于IO多路復(fù)用模型的，建議先去看一下再回來，文章寫得挺詳細(xì)和通俗的了：JDK10都發(fā)布了，nio你了解多少？

這里就簡單回顧一下吧：

• I/O多路復(fù)用的特點(diǎn)是通過一種機(jī)制一個(gè)進(jìn)程能同時(shí)等待多個(gè)文件描述符，而這些文件描述符其中的任意一個(gè)進(jìn)入讀就緒狀態(tài)、等等，select()函數(shù)就可以返回。

• select/epoll的優(yōu)勢并不是對(duì)于單個(gè)連接能處理得更快，而是在于能處理更多的連接。

說白了，使用IO多路復(fù)用機(jī)制的，一般自己會(huì)有一套事件機(jī)制，使用一個(gè)線程或者進(jìn)程監(jiān)聽這些事件，如果這些事件被觸發(fā)了，則調(diào)用對(duì)應(yīng)的函數(shù)來處理。

二、Redis事件

Redis服務(wù)器是一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)程序，主要處理以下兩類事件：

• 文件事件：文件事件其實(shí)就是對(duì)Socket操作的抽象，Redis服務(wù)器與Redis客戶端的通信會(huì)產(chǎn)生文件事件，服務(wù)器通過監(jiān)聽并處理這些事件來完成一系列的網(wǎng)絡(luò)操作

• 時(shí)間事件：時(shí)間事件其實(shí)就是對(duì)定時(shí)操作的抽象，前面我們已經(jīng)講了RDB、AOF、定時(shí)刪除鍵這些操作都可以由服務(wù)端去定時(shí)或者周期去完成，底層就是通過觸發(fā)時(shí)間事件來實(shí)現(xiàn)的！

2.1 文件事件

Redis開發(fā)了自己的網(wǎng)絡(luò)事件處理器，這個(gè)處理器被稱為文件事件處理器。

文件事件處理器由四部分組成：

文件事件處理器組成

文件事件處理器使用I/O多路復(fù)用程序來同時(shí)監(jiān)聽多個(gè)Socket。當(dāng)被監(jiān)聽的Socket準(zhǔn)備好執(zhí)行連接應(yīng)答(accept)、讀取(read)等等操作時(shí)，與操作相對(duì)應(yīng)的文件事件就會(huì)產(chǎn)生，根據(jù)文件事件來為Socket關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)的事件處理器，從而實(shí)現(xiàn)功能。

要值得注意的是：Redis中的I/O多路復(fù)用程序會(huì)將所有產(chǎn)生事件的Socket放到一個(gè)隊(duì)列里邊，然后通過這個(gè)隊(duì)列以有序、同步、每次一個(gè)Socket的方式向文件事件分派器傳送套接字。也就是說：當(dāng)上一個(gè)Socket處理完畢后，I/O多路復(fù)用程序才會(huì)向文件事件分派器傳送下一個(gè)Socket。

首先，IO多路復(fù)用程序首先會(huì)監(jiān)聽著Socket的AE_READABLE事件，該事件對(duì)應(yīng)著連接應(yīng)答處理器

• 可以理解簡單成SocketServet.accpet()

監(jiān)聽著Socket的AE_READABLE事件

此時(shí)，一個(gè)名字叫做3y的Socket要連接服務(wù)器啦。服務(wù)器會(huì)用連接應(yīng)答處理器處理。創(chuàng)建出客戶端的Socket，并將客戶端的Socket與命令請(qǐng)求處理器進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使得客戶端可以向服務(wù)器發(fā)送命令請(qǐng)求。

• 相當(dāng)于Socket s = ss.accept();，創(chuàng)建出客戶端的Socket，然后將該Socket關(guān)聯(lián)命令請(qǐng)求處理器

• 此時(shí)客戶端就可以向主服務(wù)器發(fā)送命令請(qǐng)求了

客戶端請(qǐng)求連接，服務(wù)器創(chuàng)建出客戶端Scoket，關(guān)聯(lián)命令請(qǐng)求處理器

假設(shè)現(xiàn)在客戶端發(fā)送一個(gè)命令請(qǐng)求set，客戶端Socket將產(chǎn)生AE_READABLE事件，引發(fā)命令請(qǐng)求處理器執(zhí)行。處理器讀取客戶端的命令內(nèi)容，然后傳給對(duì)應(yīng)的程序去執(zhí)行。

客戶端發(fā)送完命令請(qǐng)求后，服務(wù)端總得給客戶端回應(yīng)的。此時(shí)服務(wù)端會(huì)將客戶端的Scoket的AE_WRITABLE事件與命令回復(fù)處理器關(guān)聯(lián)。

客戶端的Scoket的AE_WRITABLE事件與命令回復(fù)處理器關(guān)聯(lián)

最后客戶端嘗試讀取命令回復(fù)時(shí)，客戶端Socket產(chǎn)生AE_WRITABLE事件，觸發(fā)命令回復(fù)處理器執(zhí)行。當(dāng)把所有的回復(fù)數(shù)據(jù)寫入到Socket之后，服務(wù)器就會(huì)解除客戶端Socket的AE_WRITABLE事件與命令回復(fù)處理器的關(guān)聯(lián)。

最后以《Redis設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》的一張圖來概括：

Redis事件交互過程

2.2 時(shí)間事件

持續(xù)運(yùn)行的Redis服務(wù)器會(huì)定期對(duì)自身的資源和狀態(tài)進(jìn)行檢查和調(diào)整，這些定期的操作由serverCron函數(shù)負(fù)責(zé)執(zhí)行，它的主要工作包括：

• 更新服務(wù)器的統(tǒng)計(jì)信息(時(shí)間、內(nèi)存占用、數(shù)據(jù)庫占用)

• 清理數(shù)據(jù)庫的過期鍵值對(duì)

• AOF、RDB持久化

• 如果是主從服務(wù)器，對(duì)從服務(wù)器進(jìn)行定期同步

• 如果是集群模式，對(duì)進(jìn)群進(jìn)行定期同步和連接

• …

Redis服務(wù)器將時(shí)間事件放在一個(gè)鏈表中，當(dāng)時(shí)間事件執(zhí)行器運(yùn)行時(shí)，會(huì)遍歷整個(gè)鏈表。時(shí)間事件包括：

• 周期性事件(Redis一般只執(zhí)行serverCron時(shí)間事件，serverCron時(shí)間事件是周期性的)

• 定時(shí)事件

2.3 時(shí)間事件和文件事件

• 文件事件和時(shí)間事件之間是合作關(guān)系，服務(wù)器會(huì)輪流處理這兩種事件，并且處理事件的過程中不會(huì)發(fā)生搶占。

• 時(shí)間事件的實(shí)際處理事件通常會(huì)比設(shè)定的到達(dá)時(shí)間晚一些

三、Redis單線程為什么快？

• 1）純內(nèi)存操作

• 2）核心是基于非阻塞的IO多路復(fù)用機(jī)制

• 3）單線程避免了多線程的頻繁上下文切換問題

四、客戶端與服務(wù)器

在《Redis設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》中各用了一章節(jié)來寫客戶端與服務(wù)器，我看完覺得比較底層的東西，也很難記得住，所以我決定總結(jié)一下比較重要的知識(shí)。如果以后真的遇到了，再來補(bǔ)坑~

服務(wù)器使用clints鏈表連接多個(gè)客戶端狀態(tài)，新添加的客戶端狀態(tài)會(huì)被放到鏈表的末尾

客戶端--鏈表

• 一個(gè)服務(wù)器可以與多個(gè)客戶端建立網(wǎng)絡(luò)連接，每個(gè)客戶端可以向服務(wù)器發(fā)送命令請(qǐng)求，而服務(wù)器則接收并處理客戶端發(fā)送的命令請(qǐng)求，并向客戶端返回命令回復(fù)。

• Redis服務(wù)器使用單線程單進(jìn)程的方式處理命令請(qǐng)求。在數(shù)據(jù)庫中保存客戶端執(zhí)行命令所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并通過資源管理來維持服務(wù)器自身的運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.1 客戶端

客戶端章節(jié)中主要講解了Redis客戶端的屬性(客戶端狀態(tài)、輸入/輸出緩沖區(qū)、命令參數(shù)、命令函數(shù)等等)

typedef?struct?redisClient{//客戶端狀態(tài)的輸入緩沖區(qū)用于保存客戶端發(fā)送的命令請(qǐng)求,最大1GB,否則服務(wù)器將關(guān)閉這個(gè)客戶端sds?querybuf;??//負(fù)責(zé)記錄argv數(shù)組的長度。int?argc;???//?命令的參數(shù)robj?**argv;??//?客戶端要執(zhí)行命令的實(shí)現(xiàn)函數(shù)struct?redisCommand?*cmd,?*lastcmd;??//記錄了客戶端的角色(role),以及客戶端所處的狀態(tài)。?(REDIS_SLAVE?|?REDIS_MONITOR?|?REDIS_MULTI)?int?flags;?????????????//記錄客戶端是否通過了身份驗(yàn)證int?authenticated;?????//時(shí)間相關(guān)的屬性time_t?ctime;???????????/*?Client?creation?time?*/???????time_t?lastinteraction;?/*?time?of?the?last?interaction,?used?for?timeout?*/time_t?obuf_soft_limit_reached_time;//固定大小的緩沖區(qū)用于保存那些長度比較小的回復(fù)/*?Response?buffer?*/int?bufpos;char?buf[REDIS_REPLY_CHUNK_BYTES];//可變大小的緩沖區(qū)用于保存那些長度比較大的回復(fù)list?*reply;?//可變大小緩沖區(qū)由reply?鏈表和一個(gè)或多個(gè)字符串對(duì)象組成//... }

4.2 服務(wù)端

服務(wù)器章節(jié)中主要講解了Redis服務(wù)器讀取客戶端發(fā)送過來的命令是如何解析，以及初始化的過程。

服務(wù)器從啟動(dòng)到能夠處理客戶端的命令請(qǐng)求需要執(zhí)行以下的步驟：

• 初始化服務(wù)器狀態(tài)

• 載入服務(wù)器配置

• 初始化服務(wù)器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

• 還原數(shù)據(jù)庫狀態(tài)

• 執(zhí)行事件循環(huán)

總的來說是這樣子的：

def?main():init_server();while?server_is_not_shutdown();aeProcessEvents()clean_server();

從客戶端發(fā)送命令道完成主要包括的步驟：

• 客戶端將命令請(qǐng)求發(fā)送給服務(wù)器

• 服務(wù)器讀取命令請(qǐng)求，分析出命令參數(shù)

• 命令執(zhí)行器根據(jù)參數(shù)查找命令的實(shí)現(xiàn)函數(shù)，執(zhí)行實(shí)現(xiàn)函數(shù)并得出命令回復(fù)

• 服務(wù)器將命令回復(fù)返回給客戶端

五、最后

現(xiàn)在臨近雙十一買阿里云服務(wù)器就特別省錢！之前我買學(xué)生機(jī)也要9.8塊錢一個(gè)月，現(xiàn)在最低價(jià)只需要8.3一個(gè)月！

無論是Nginx/Elasticsearch/Redis這些技術(shù)都是在Linux下完美運(yùn)行的，如果還是程序員新手，買一個(gè)學(xué)習(xí)Linux基礎(chǔ)命令，學(xué)習(xí)搭建環(huán)境也是不錯(cuò)的選擇。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的从零单排学Redis【黄金】的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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