深入剖析 redis 事件驱动

概述

redis 内部有一个小型的事件驱动,它和 libevent 网络库的事件驱动一样,都是依托 I/O 多路复用技术支撑起来的。

利用 I/O 多路复用技术,监听感兴趣的文件 I/O 事件,例如读事件,写事件等,同时也要维护一个以文件描述符为主键,数据为某个预设函数的事件表,这里其实就是一个数组或者链表 。当事件触发时,比如某个文件描述符可读,系统会返回文件描述符值,用这个值在事件表中找到相应的数据项,从而实现回调。同样的,定时事件也是可以实现的,因为系统提供的 I/O 多路复用技术中的函数允许我们设定时间值。

redis_event_summary

上面一段话比较综合,可能需要一些 linux 系统编程和网络编程的基础,但你会看到多数事件驱动程序都是这么实现的(?)。

redis 事件驱动数据结构

redis 事件驱动内部有四个主要的数据结构,分别是:事件循环结构体,文件事件结构体,时间事件结构体和触发事件结构体。

// 文件事件结构体
/* File event structure */
typedef struct aeFileEvent {
    int mask; /* one of AE_(READABLE|WRITABLE) */

    // 回调函数指针
    aeFileProc *rfileProc;
    aeFileProc *wfileProc;

    // clientData 参数一般是指向 redisClient 的指针
    void *clientData;
} aeFileEvent;

// 时间事件结构体
/* Time event structure */
typedef struct aeTimeEvent {
    long long id; /* time event identifier. */
    long when_sec; /* seconds */
    long when_ms; /* milliseconds */

    // 定时回调函数指针
    aeTimeProc *timeProc;

    // 定时事件清理函数,当删除定时事件的时候会被调用
    aeEventFinalizerProc *finalizerProc;

    // clientData 参数一般是指向 redisClient 的指针
    void *clientData;

    // 定时事件表采用链表来维护
    struct aeTimeEvent *next;
} aeTimeEvent;

// 触发事件
/* A fired event */
typedef struct aeFiredEvent {
    int fd;
    int mask;
} aeFiredEvent;

// 事件循环结构体
/* State of an event based program */
typedef struct aeEventLoop {
    int maxfd;   /* highest file descriptor currently registered */
    int setsize; /* max number of file descriptors tracked */

    // 记录最大的定时事件 id + 1
    long long timeEventNextId;

    // 用于系统时间的矫正
    time_t lastTime;     /* Used to detect system clock skew */

    // I/O 事件表
    aeFileEvent *events; /* Registered events */

    // 被触发的事件
    aeFiredEvent *fired; /* Fired events */

    // 定时事件表
    aeTimeEvent *timeEventHead;

    // 事件循环结束标识
    int stop;

    // 对于不同的 I/O 多路复用技术,有不同的数据,详见各自实现
    void *apidata; /* This is used for polling API specific data */

    // 新的循环前需要执行的操作
    aeBeforeSleepProc *beforesleep;
} aeEventLoop;

上面的数据结构能给我们很好的提示:事件循环结构体维护 I/O 事件表,定时事件表和触发事件表。

事件循环中心

redis 的主函数中调用 initServer() 函数从而初始化事件循环中心(EventLoop),它的主要工作是在 aeCreateEventLoop() 中完成的。

aeEventLoop *aeCreateEventLoop(int setsize) {
    aeEventLoop *eventLoop;
    int i;

    // 分配空间
    if ((eventLoop = zmalloc(sizeof(*eventLoop))) == NULL) goto err;

    // 分配文件事件结构体空间
    eventLoop->events = zmalloc(sizeof(aeFileEvent)*setsize);

    // 分配已触发事件结构体空间
    eventLoop->fired = zmalloc(sizeof(aeFiredEvent)*setsize);
    if (eventLoop->events == NULL || eventLoop->fired == NULL) goto err;

    eventLoop->setsize = setsize;
    eventLoop->lastTime = time(NULL);

    // 时间事件链表头
    eventLoop->timeEventHead = NULL;

    // 后续提到
    eventLoop->timeEventNextId = 0;
    eventLoop->stop = 0;
    eventLoop->maxfd = -1;

    // 进入事件循环前需要执行的操作,此项会在 redis main() 函数中设置
    eventLoop->beforesleep = NULL;

    // 在这里,aeApiCreate() 函数对于每个 IO 多路复用模型的实现都有不同,具体参见源代码,因为每种 IO 多路复用模型的初始化都不同
    if (aeApiCreate(eventLoop) == -1) goto err;

    /* Events with mask == AE_NONE are not set. So let's initialize the
     * vector with it. */
    // 初始化事件类型掩码为无事件状态
    for (i = 0; i < setsize; i++)
        eventLoop->events[i].mask = AE_NONE;
    return eventLoop;

err:
    if (eventLoop) {
        zfree(eventLoop->events);
        zfree(eventLoop->fired);
        zfree(eventLoop);
    }
    return NULL;
}

有上面初始化工作只是完成了一个空空的事件中心而已。要想驱动事件循环,还需要下面的工作。

事件注册详解

文件 I/O 事件注册主要操作在 aeCreateFileEvent() 中完成。aeCreateFileEvent() 会根据文件描述符的数值大小在事件循环结构体的 I/O 事件表中取一个数据空间,利用系统提供的 I/O 多路复用技术监听感兴趣的 I/O 事件,并设置回调函数。

io_event_table

int aeCreateFileEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask,
        aeFileProc *proc, void *clientData)
{
    if (fd >= eventLoop->setsize) {
        errno = ERANGE;
        return AE_ERR;
    }
    // 在 I/O 事件表中选择一个空间
    aeFileEvent *fe = &eventLoop->events[fd];

    // aeApiAddEvent() 只在此函数中调用,对于不同 IO 多路复用实现,会有所不同
    if (aeApiAddEvent(eventLoop, fd, mask) == -1)
        return AE_ERR;

    fe->mask |= mask;

    // 设置回调函数
    if (mask & AE_READABLE) fe->rfileProc = proc;
    if (mask & AE_WRITABLE) fe->wfileProc = proc;
    fe->clientData = clientData;
    if (fd > eventLoop->maxfd)
        eventLoop->maxfd = fd;
    return AE_OK;
}

对于不同版本的 I/O 多路复用,比如 epoll,select,kqueue 等,redis 有各自的版本,但接口统一,譬如 aeApiAddEvent()。

redis_event_api

之于定时事件,在事件循环结构体中用链表来维护。定时事件操作在 aeCreateTimeEvent() 中完成:分配定时事件结构体,设置触发时间和回调函数,插入到定时事件表中。

time_event_table

long long aeCreateTimeEvent(aeEventLoop *eventLoop, long long milliseconds,
        aeTimeProc *proc, void *clientData,
        aeEventFinalizerProc *finalizerProc)
{
/*    自增
    timeEventNextId 会在处理执行定时事件时会用到,用于防止出现死循环。
    如果超过了最大 id,则跳过这个定时事件,为的是避免死循环,即:
    如果事件一执行的时候注册了事件二,事件一执行完毕后事件二得到执行,紧接着如果事件一有得到执行就会成为循环,因此维护了 timeEventNextId 。*/
    long long id = eventLoop->timeEventNextId++;
    aeTimeEvent *te;

    // 分配空间
    te = zmalloc(sizeof(*te));
    if (te == NULL) return AE_ERR;

    // 填充时间事件结构体
    te->id = id;

    // 计算超时时间
    aeAddMillisecondsToNow(milliseconds,&te->when_sec,&te->when_ms);

    // proc == serverCorn
    te->timeProc = proc;
    te->finalizerProc = finalizerProc;
    te->clientData = clientData;

    // 头插法
    te->next = eventLoop->timeEventHead;
    eventLoop->timeEventHead = te;
    return id;
}

准备监听工作

initServer() 中调用了 aeCreateEventLoop() 完成了事件中心的初始化,initServer() 还做了监听的准备。

    /* Open the TCP listening socket for the user commands. */
    // listenToPort() 中有调用 listen()
    if (server.port != 0 &&
        listenToPort(server.port,server.ipfd,&server.ipfd_count) == REDIS_ERR)
        exit(1);

    // UNIX 域套接字
    /* Open the listening Unix domain socket. */
    if (server.unixsocket != NULL) {
        unlink(server.unixsocket); /* don't care if this fails */
        server.sofd = anetUnixServer(server.neterr,server.unixsocket,server.unixsocketperm);
        if (server.sofd == ANET_ERR) {
            redisLog(REDIS_WARNING, "Opening socket: %s", server.neterr);
            exit(1);
        }
    }

从上面可以看出,redis 提供了 TCP 和 UNIX 域套接字两种工作方式。以 TCP 工作方式为例,listenPort() 创建绑定了套接字并启动了监听。

为监听套接字注册事件

在进入事件循环前还需要做一些准备工作。紧接着,initServer() 为所有的监听套接字注册了读事件,响应函数为 acceptTcpHandler() 或者 acceptUnixHandler()。

    // 创建接收 TCP 或者 UNIX 域套接字的事件处理
    // TCP
    /* Create an event handler for accepting new connections in TCP and Unix
     * domain sockets. */
    for (j = 0; j < server.ipfd_count; j++) {

        // acceptTcpHandler() tcp 连接接受处理函数
        if (aeCreateFileEvent(server.el, server.ipfd[j], AE_READABLE,
            acceptTcpHandler,NULL) == AE_ERR)
            {
                redisPanic(
                    "Unrecoverable error creating server.ipfd file event.");
            }
    }

    // UNIX 域套接字
    if (server.sofd > 0 && aeCreateFileEvent(server.el,server.sofd,AE_READABLE,
        acceptUnixHandler,NULL) == AE_ERR) redisPanic("Unrecoverable error creating server.sofd file event.");

来看看acceptTcpHandler() 做了什么:

// 用于 TCP 接收请求的处理函数
void acceptTcpHandler(aeEventLoop *el, int fd, void *privdata, int mask) {
    int cport, cfd;
    char cip[REDIS_IP_STR_LEN];
    REDIS_NOTUSED(el);
    REDIS_NOTUSED(mask);
    REDIS_NOTUSED(privdata);

    // 接收客户端请求
    cfd = anetTcpAccept(server.neterr, fd, cip, sizeof(cip), &cport);

    // 出错
    if (cfd == AE_ERR) {
        redisLog(REDIS_WARNING,"Accepting client connection: %s", server.neterr);
        return;
    }

    // 记录
    redisLog(REDIS_VERBOSE,"Accepted %s:%d", cip, cport);

    // 真正有意思的地方
    acceptCommonHandler(cfd,0);
}

接收套接字与客户端建立连接后,调用 acceptCommonHandler()。acceptCommonHandler() 主要工作就是:

  1. 建立并保存服务端与客户端的连接信息,这些信息保存在一个 struct redisClient 结构体中;

  2. 为与客户端连接的套接字注册读事件,相应的回调函数为 readQueryFromClient(),readQueryFromClient() 作用是从套接字读取数据,执行相应操作并回复客户端。

redis 事件循环

以上做好了准备工作,可以进入事件循环。跳出 initServer() 回到 main() 中,main() 会调用 aeMain()。进入事件循环发生在 aeProcessEvents() 中:

  1. 根据定时事件表计算需要等待的最短时间;

  2. 调用 redis api aeApiPoll() 进入监听轮询,如果没有事件发生就会进入睡眠状态,其实就是 I/O 多路复用 select() epoll() 等的调用;

  3. 有事件发生会被唤醒,处理已触发的 I/O 事件和定时事件。

    void aeMain(aeEventLoop *eventLoop) { eventLoop->stop = 0; while (!eventLoop->stop) {

           // 进入事件循环可能会进入睡眠状态。在睡眠之前,执行预设置的函数 aeSetBeforeSleepProc()。
           if (eventLoop->beforesleep != NULL)
               eventLoop->beforesleep(eventLoop);
         
           // AE_ALL_EVENTS 表示处理所有的事件
           aeProcessEvents(eventLoop, AE_ALL_EVENTS);
       }    }
    

    // 先处理定时事件,然后处理套接字事件 int aeProcessEvents(aeEventLoop *eventLoop, int flags) { int processed = 0, numevents;

       /* Nothing to do? return ASAP */
       if (!(flags & AE_TIME_EVENTS) && !(flags & AE_FILE_EVENTS)) return 0;
         
       /* Note that we want call select() even if there are no
        * file events to process as long as we want to process time
        * events, in order to sleep until the next time event is ready
        * to fire. */
       if (eventLoop->maxfd != -1 ||
           ((flags & AE_TIME_EVENTS) && !(flags & AE_DONT_WAIT))) {
         
           int j;
           aeTimeEvent *shortest = NULL;
           // tvp 会在 IO 多路复用的函数调用中用到,表示超时时间
           struct timeval tv, *tvp;
         
           // 得到最短将来会发生的定时事件
           if (flags & AE_TIME_EVENTS && !(flags & AE_DONT_WAIT))
               shortest = aeSearchNearestTimer(eventLoop);
         
           // 计算睡眠的最短时间
           if (shortest) { // 存在定时事件
               long now_sec, now_ms;
         
               /* Calculate the time missing for the nearest
                * timer to fire. */
               // 得到当前时间
               aeGetTime(&now_sec, &now_ms);
               tvp = &tv;
               tvp->tv_sec = shortest->when_sec - now_sec;
               if (shortest->when_ms < now_ms) { // 需要借位
                   // 减法中的借位,毫秒向秒借位
                   tvp->tv_usec = ((shortest->when_ms+1000) - now_ms)*1000;
                   tvp->tv_sec --;
               } else { // 不需要借位,直接减
                   tvp->tv_usec = (shortest->when_ms - now_ms)*1000;
               }
         
               // 当前系统时间已经超过定时事件设定的时间
               if (tvp->tv_sec < 0) tvp->tv_sec = 0;
               if (tvp->tv_usec < 0) tvp->tv_usec = 0;
           } else {
               /* If we have to check for events but need to return
                * ASAP because of AE_DONT_WAIT we need to set the timeout
                * to zero */
               // 如果没有定时事件,见机行事
               if (flags & AE_DONT_WAIT) {
                   tv.tv_sec = tv.tv_usec = 0;
                   tvp = &tv;
               } else {
                   /* Otherwise we can block */
                   tvp = NULL; /* wait forever */
               }
           }
         
           // 调用 IO 多路复用函数阻塞监听
           numevents = aeApiPoll(eventLoop, tvp);
         
           // 处理已经触发的事件
           for (j = 0; j < numevents; j++) {
               // 找到 I/O 事件表中存储的数据
               aeFileEvent *fe = &eventLoop->events[eventLoop->fired[j].fd];
               int mask = eventLoop->fired[j].mask;
               int fd = eventLoop->fired[j].fd;
               int rfired = 0;
         
            /* note the fe->mask & mask & ... code: maybe an already processed
                * event removed an element that fired and we still didn't
                * processed, so we check if the event is still valid. */
               // 读事件
               if (fe->mask & mask & AE_READABLE) {
                   rfired = 1;
                   fe->rfileProc(eventLoop,fd,fe->clientData,mask);
               }
               // 写事件
               if (fe->mask & mask & AE_WRITABLE) {
                   if (!rfired || fe->wfileProc != fe->rfileProc)
                       fe->wfileProc(eventLoop,fd,fe->clientData,mask);
               }
               processed++;
           }
       }
         
       // 处理定时事件
       /* Check time events */
       if (flags & AE_TIME_EVENTS)
           processed += processTimeEvents(eventLoop);
         
       return processed; /* return the number of processed file/time events */    }
    

事件触发

这里以 select 版本的 redis api 实现作为讲解,aeApiPoll() 调用了 select() 进入了监听轮询。aeApiPoll() 的 tvp 参数是最小等待时间,它会被预先计算出来,它主要完成:

  1. 拷贝读写的 fdset。select() 的调用会破坏传入的 fdset,实际上有两份 fdset,一份作为备份,另一份用作调用。每次调用 select() 之前都从备份中直接拷贝一份;

  2. 调用 select();

  3. 被唤醒后,检查 fdset 中的每一个文件描述符,并将可读或者可写的描述符记录到触发表当中。

接下来的操作便是执行相应的回调函数,代码在上一段中已经贴出:先处理 I/O 事件,再处理定时事件。

static int aeApiPoll(aeEventLoop *eventLoop, struct timeval *tvp) {
    aeApiState *state = eventLoop->apidata;
    int retval, j, numevents = 0;

    /*
    真有意思,在 aeApiState 结构中:
    typedef struct aeApiState {
        fd_set rfds, wfds;
        fd_set _rfds, _wfds;
    } aeApiState;
    在调用 select() 的时候传入的是 _rfds 和 _wfds,所有监听的数据在 rfds 和 wfds 中。
    在下次需要调用 selec() 的时候,会将 rfds 和 wfds 中的数据拷贝进 _rfds 和 _wfds 中。*/
    memcpy(&state->_rfds,&state->rfds,sizeof(fd_set));
    memcpy(&state->_wfds,&state->wfds,sizeof(fd_set));

    retval = select(eventLoop->maxfd+1,
                &state->_rfds,&state->_wfds,NULL,tvp);
    if (retval > 0) {
        // 轮询
        for (j = 0; j <= eventLoop->maxfd; j++) {
            int mask = 0;
            aeFileEvent *fe = &eventLoop->events[j];

            if (fe->mask == AE_NONE) continue;
            if (fe->mask & AE_READABLE && FD_ISSET(j,&state->_rfds))
                mask |= AE_READABLE;
            if (fe->mask & AE_WRITABLE && FD_ISSET(j,&state->_wfds))
                mask |= AE_WRITABLE;

            // 添加到触发事件表中
            eventLoop->fired[numevents].fd = j;
            eventLoop->fired[numevents].mask = mask;
            numevents++;
        }
    }
    return numevents;
}

总结

redis 的事件驱动总结如下:

  1. 初始化事件循环结构体

  2. 注册监听套接字的读事件

  3. 注册定时事件

  4. 进入事件循环

  5. 如果监听套接字变为可读,会接收客户端请求,并为对应的套接字注册读事件

  6. 如果与客户端连接的套接字变为可读,执行相应的操作

redis_event_summary

后续分享更多内容。


捣乱 2014-3-9

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09 March 2014

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