为什么 Redis 单线程却能支撑高并发？

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来源：http://draveness.me/redis-io-multiplexing

最近在看 UNIX 网络编程并研究了一下 Redis 的实现，感觉 Redis 的源代码十分适合阅读和分析，其中 I/O 多路复用（mutiplexing）部分的实现非常干净和优雅，在这里想对这部分的内容进行简单的整理。

几种 I/O 模型

为什么 Redis 中要使用 I/O 多路复用这种技术呢？

首先，Redis 是跑在单线程中的，所有的操作都是按照顺序线性执行的，但是由于读写操作等待用户输入或输出都是阻塞的，所以 I/O 操作在一般情况下往往不能直接返回，这会导致某一文件的 I/O 阻塞导致整个进程无法对其它客户提供服务，而 I/O 多路复用就是为了解决这个问题而出现的。

Blocking I/O

先来看一下传统的阻塞 I/O 模型到底是如何工作的：当使用 read 或者 write 对某一个文件描述符（File Descriptor 以下简称 FD)进行读写时，如果当前 FD 不可读或不可写，整个 Redis 服务就不会对其它的操作作出响应，导致整个服务不可用。

这也就是传统意义上的，也就是我们在编程中使用最多的阻塞模型：

阻塞模型虽然开发中非常常见也非常易于理解，但是由于它会影响其他 FD 对应的服务，所以在需要处理多个客户端任务的时候，往往都不会使用阻塞模型。

I/O 多路复用

虽然还有很多其它的 I/O 模型，但是在这里都不会具体介绍。

阻塞式的 I/O 模型并不能满足这里的需求，我们需要一种效率更高的 I/O 模型来支撑 Redis 的多个客户（redis-cli），这里涉及的就是 I/O 多路复用模型了：

在 I/O 多路复用模型中，最重要的函数调用就是 select，该方法的能够同时监控多个文件描述符的可读可写情况，当其中的某些文件描述符可读或者可写时， select 方法就会返回可读以及可写的文件描述符个数。

关于 select 的具体使用方法，在网络上资料很多，这里就不过多展开介绍了；

与此同时也有其它的 I/O 多路复用函数 epoll/kqueue/evport，它们相比 select 性能更优秀，同时也能支撑更多的服务。

Reactor 设计模式

Redis 服务采用 Reactor 的方式来实现文件事件处理器（每一个网络连接其实都对应一个文件描述符）

文件事件处理器使用 I/O 多路复用模块同时监听多个 FD，当 accept、 read、 write 和 close 文件事件产生时，文件事件处理器就会回调 FD 绑定的事件处理器。

虽然整个文件事件处理器是在单线程上运行的，但是通过 I/O 多路复用模块的引入，实现了同时对多个 FD 读写的监控，提高了网络通信模型的性能，同时也可以保证整个 Redis 服务实现的简单。

I/O 多路复用模块

I/O 多路复用模块封装了底层的 select、 epoll、 avport 以及 kqueue 这些 I/O 多路复用函数，为上层提供了相同的接口。

在这里我们简单介绍 Redis 是如何包装 select 和 epoll 的，简要了解该模块的功能，整个 I/O 多路复用模块抹平了不同平台上 I/O 多路复用函数的差异性，提供了相同的接口：

1. static int aeApiCreate(aeEventLoop *eventLoop)

2. static int aeApiResize(aeEventLoop *eventLoop, int setsize)

3. static void aeApiFree(aeEventLoop *eventLoop)

4. static int aeApiAddEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask)

5. static void aeApiDelEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask)

6. static int aeApiPoll(aeEventLoop *eventLoop, struct timeval *tvp)

同时，因为各个函数所需要的参数不同，我们在每一个子模块内部通过一个 aeApiState 来存储需要的上下文信息：

1. // select

2. typedef struct aeApiState {

3.    fd_set rfds, wfds;

4.    fd_set _rfds, _wfds;

5. } aeApiState;

6. // epoll

7. typedef struct aeApiState {

8.    int epfd;

9.    struct epoll_event *events;

10. } aeApiState;

这些上下文信息会存储在 eventLoop 的 void*state 中，不会暴露到上层，只在当前子模块中使用。

封装 select 函数

select 可以监控 FD 的可读、可写以及出现错误的情况。

在介绍 I/O 多路复用模块如何对 select 函数封装之前，先来看一下 select 函数使用的大致流程：

1. int fd = /* file descriptor */

2. fd_set rfds;

3. FD_ZERO(&rfds);

4. FD_SET(fd, &rfds)

5. for ( ; ; ) {

6.    select(fd+1, &rfds, NULL, NULL, NULL);

7.    if (FD_ISSET(fd, &rfds)) {

8.        /* file descriptor `fd` becomes readable */

9.    }

10. }

1、初始化一个可读的 fd_set 集合，保存需要监控可读性的 FD；2、使用 FD_SET 将 fd 加入 rfds；3、调用 select 方法监控 rfds 中的 FD 是否可读；4、当 select 返回时，检查 FD 的状态并完成对应的操作。

而在 Redis 的 ae_select 文件中代码的组织顺序也是差不多的，首先在 aeApiCreate 函数中初始化 rfds 和 wfds：

1. static int aeApiCreate(aeEventLoop *eventLoop) {

2.    aeApiState *state = zmalloc(sizeof(aeApiState));

3.    if (!state) return -1;

4.    FD_ZERO(&state->rfds);

5.    FD_ZERO(&state->wfds);

6.    eventLoop->apidata = state;

7.    return 0;

8. }

而 aeApiAddEvent 和 aeApiDelEvent 会通过 FD_SET 和 FD_CLR 修改 fd_set 中对应 FD 的标志位：

1. static int aeApiAddEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask) {

2.    aeApiState *state = eventLoop->apidata;

3.    if (mask & AE_READABLE) FD_SET(fd,&state->rfds);

4.    if (mask & AE_WRITABLE) FD_SET(fd,&state->wfds);

5.    return 0;

6. }

整个 ae_select 子模块中最重要的函数就是 aeApiPoll，它是实际调用 select 函数的部分，其作用就是在 I/O 多路复用函数返回时，将对应的 FD 加入 aeEventLoop 的 fired 数组中，并返回事件的个数：

1. static int aeApiPoll(aeEventLoop *eventLoop, struct timeval *tvp) {

2.    aeApiState *state = eventLoop->apidata;

3.    int retval, j, numevents = 0;

4.    memcpy(&state->_rfds,&state->rfds,sizeof(fd_set));

5.    memcpy(&state->_wfds,&state->wfds,sizeof(fd_set));

6.    retval = select(eventLoop->maxfd+1,

7.                &state->_rfds,&state->_wfds,NULL,tvp);

8.    if (retval > 0) {

9.        for (j = 0; j <= eventLoop->maxfd; j++) {

10.            int mask = 0;

11.            aeFileEvent *fe = &eventLoop->events[j];

12.            if (fe->mask == AE_NONE) continue;

13.            if (fe->mask & AE_READABLE && FD_ISSET(j,&state->_rfds))

14.                mask |= AE_READABLE;

15.            if (fe->mask & AE_WRITABLE && FD_ISSET(j,&state->_wfds))

16.                mask |= AE_WRITABLE;

17.            eventLoop->fired[numevents].fd = j;

18.            eventLoop->fired[numevents].mask = mask;

19.            numevents++;

20.        }

21.    }

22.    return numevents;

23. }

封装 epoll 函数

Redis 对 epoll 的封装其实也是类似的，使用 epoll_create 创建 epoll 中使用的 epfd：

1. static int aeApiCreate(aeEventLoop *eventLoop) {

2.    aeApiState *state = zmalloc(sizeof(aeApiState));

3.    if (!state) return -1;

4.    state->events = zmalloc(sizeof(struct epoll_event)*eventLoop->setsize);

5.    if (!state->events) {

6.        zfree(state);

7.        return -1;

8.    }

9.    state->epfd = epoll_create(1024); /* 1024 is just a hint for the kernel */

10.    if (state->epfd == -1) {

11.        zfree(state->events);

12.        zfree(state);

13.        return -1;

14.    }

15.    eventLoop->apidata = state;

16.    return 0;

17. }

在 aeApiAddEvent 中使用 epoll_ctl 向 epfd 中添加需要监控的 FD 以及监听的事件：

1. static int aeApiAddEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask) {

2.    aeApiState *state = eventLoop->apidata;

3.    struct epoll_event ee = {0}; /* avoid valgrind warning */

4.    /* If the fd was already monitored for some event, we need a MOD

5.     * operation. Otherwise we need an ADD operation. */

6.    int op = eventLoop->events[fd].mask == AE_NONE ?

7.            EPOLL_CTL_ADD : EPOLL_CTL_MOD;

8.    ee.events = 0;

9.    mask |= eventLoop->events[fd].mask; /* Merge old events */

10.    if (mask & AE_READABLE) ee.events |= EPOLLIN;

11.    if (mask & AE_WRITABLE) ee.events |= EPOLLOUT;

12.    ee.data.fd = fd;

13.    if (epoll_ctl(state->epfd,op,fd,&ee) == -1) return -1;

14.    return 0;

15. }

由于 epoll 相比 select 机制略有不同，在 epoll_wait 函数返回时并不需要遍历所有的 FD 查看读写情况；在 epoll_wait 函数返回时会提供一个 epoll_event 数组：

1. typedef union epoll_data {

2.    void    *ptr;

3.    int      fd; /* 文件描述符 */

4.    uint32_t u32;

5.    uint64_t u64;

6. } epoll_data_t;

7. struct epoll_event {

8.    uint32_t     events; /* Epoll 事件 */

9.    epoll_data_t data;

10. };

其中保存了发生的 epoll 事件（ EPOLLIN、 EPOLLOUT、 EPOLLERR 和 EPOLLHUP）以及发生该事件的 FD。

aeApiPoll 函数只需要将 epoll_event 数组中存储的信息加入 eventLoop 的 fired 数组中，将信息传递给上层模块：

1. static int aeApiPoll(aeEventLoop *eventLoop, struct timeval *tvp) {

2.    aeApiState *state = eventLoop->apidata;

3.    int retval, numevents = 0;

4.    retval = epoll_wait(state->epfd,state->events,eventLoop->setsize,

5.            tvp ? (tvp->tv_sec*1000 + tvp->tv_usec/1000) : -1);

6.    if (retval > 0) {

7.        int j;

8.        numevents = retval;

9.        for (j = 0; j < numevents; j++) {

10.            int mask = 0;

11.            struct epoll_event *e = state->events+j;

12.            if (e->events & EPOLLIN) mask |= AE_READABLE;

13.            if (e->events & EPOLLOUT) mask |= AE_WRITABLE;

14.            if (e->events & EPOLLERR) mask |= AE_WRITABLE;

15.            if (e->events & EPOLLHUP) mask |= AE_WRITABLE;

16.            eventLoop->fired[j].fd = e->data.fd;

17.            eventLoop->fired[j].mask = mask;

18.        }

19.    }

20.    return numevents;

21. }

子模块的选择

因为 Redis 需要在多个平台上运行，同时为了最大化执行的效率与性能，所以会根据编译平台的不同选择不同的 I/O 多路复用函数作为子模块，提供给上层统一的接口；在 Redis 中，我们通过宏定义的使用，合理的选择不同的子模块：

1. #ifdef HAVE_EVPORT

2. #include "ae_evport.c"

3. #else

4.    #ifdef HAVE_EPOLL

5.    #include "ae_epoll.c"

6.    #else

7.        #ifdef HAVE_KQUEUE

8.        #include "ae_kqueue.c"

9.        #else

10.        #include "ae_select.c"

11.        #endif

12.    #endif

13. #endif

因为 select 函数是作为 POSIX 标准中的系统调用，在不同版本的操作系统上都会实现，所以将其作为保底方案：

Redis 会优先选择时间复杂度为 O(1) 的 I/O 多路复用函数作为底层实现，包括 Solaries 10 中的 evport、Linux 中的 epoll 和 macOS/FreeBSD 中的 kqueue，上述的这些函数都使用了内核内部的结构，并且能够服务几十万的文件描述符。

但是如果当前编译环境没有上述函数，就会选择 select 作为备选方案，由于其在使用时会扫描全部监听的描述符，所以其时间复杂度较差 O(n)，并且只能同时服务 1024 个文件描述符，所以一般并不会以 select 作为第一方案使用。

总结

Redis 对于 I/O 多路复用模块的设计非常简洁，通过宏保证了 I/O 多路复用模块在不同平台上都有着优异的性能，将不同的 I/O 多路复用函数封装成相同的 API 提供给上层使用。

整个模块使 Redis 能以单进程运行的同时服务成千上万个文件描述符，避免了由于多进程应用的引入导致代码实现复杂度的提升，减少了出错的可能性。

Reference

[Select-Man-Pages] http://man7.org/linux/man-pages/man2/select.2.html [Reactor-Pattern] https://en.wikipedia.org/wiki/Reactor_pattern [epoll vs kqueue] https://people.eecs.berkeley.edu/~sangjin/2012/12/21/epoll-vs-kqueue.html

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