20 Redis如何处理文件事件和时间事件？ 上一课时，我们学习了 Redis 的系统架构，接下来的几个课时我将带你一起对这些模块和设计进行详细分析。首先，我将分析 Redis 的事件驱动模型。

Redis 事件驱动模型

事件驱动模型

Redis 是一个事件驱动程序，但和 Memcached 不同的是，Redis 并没有采用 libevent 或 libev 这些开源库，而是直接开发了一个新的事件循环组件。Redis 作者给出的理由是，尽量减少外部依赖，而自己开发的事件模型也足够简洁、轻便、高效，也更易控制。Redis 的事件驱动模型机制封装在 aeEventLoop 等相关的结构体中，网络连接、命令读取执行回复，数据的持久化、淘汰回收 key 等，几乎所有的核心操作都通过 ae 事件模型进行处理。

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Redis 的事件驱动模型处理 2 类事件：

  • 文件事件，如连接建立、接受请求命令、发送响应等；
  • 时间事件，如 Redis 中定期要执行的统计、key 淘汰、缓冲数据写出、rehash等。

文件事件处理

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Redis 的文件事件采用典型的 Reactor 模式进行处理。Redis 文件事件处理机制分为 4 部分：

  • 连接 socket
  • IO 多路复用程序
  • 文件事件分派器
  • 事件处理器

文件事件是对连接 socket 操作的一个抽象。当端口监听 socket 准备 accept 新连接，或者连接 socket 准备好读取请求、写入响应、关闭时，就会产生一个文件事件。IO 多路复用程序负责同时监听多个 socket，当这些 socket 产生文件事件时，就会触发事件通知，文件分派器就会感知并获取到这些事件。

虽然多个文件事件可能会并发出现，但 IO 多路复用程序总会将所有产生事件的 socket 放入一个队列中，通过这个队列，有序的把这些文件事件通知给文件分派器。

IO多路复用

Redis 封装了 4 种多路复用程序，每种封装实现都提供了相同的 API 实现。编译时，会按照性能和系统平台，选择最佳的 IO 多路复用函数作为底层实现，选择顺序是，首先尝试选择 Solaries 中的 evport，如果没有，就尝试选择 Linux 中的 epoll，否则就选择大多 UNIX 系统都支持的 kqueue，这 3 个多路复用函数都直接使用系统内核内部的结构，可以服务数十万的文件描述符。

如果当前编译环境没有上述函数，就会选择 select 作为底层实现方案。select 方案的性能较差，事件发生时，会扫描全部监听的描述符，事件复杂度是 O(n)，并且只能同时服务有限个文件描述符，32 位机默认是 1024 个，64 位机默认是 2048 个，所以一般情况下，并不会选择 select 作为线上运行方案。Redis 的这 4 种实现，分别在 ae_evport、ae_epoll、ae_kqueue 和 ae_select 这 4 个代码文件中。

文件事件收集及派发器

Redis 中的文件事件分派器是 aeProcessEvents 函数。它会首先计算最大可以等待的时间，然后利用 aeApiPoll 等待文件事件的发生。如果在等待时间内，一旦 IO 多路复用程序产生了事件通知，则会立即轮询所有已产生的文件事件，并将文件事件放入 aeEventLoop 中的 aeFiredEvents 结构数组中。每个 fired event 会记录 socket 及 Redis 读写事件类型。

这里会涉及将多路复用中的事件类型，转换为 Redis 的 ae 事件驱动模型中的事件类型。以采用 Linux 中的 epoll 为例，会将 epoll 中的 EPOLLIN 转为 AE_READABLE 类型，将 epoll 中的 EPOLLOUT、EPOLLERR 和 EPOLLHUP 转为 AE_WRITABLE 事件。

aeProcessEvents 在获取到触发的事件后，会根据事件类型，将文件事件 dispatch 派发给对应事件处理函数。如果同一个 socket，同时有读事件和写事件，Redis 派发器会首先派发处理读事件，然后再派发处理写事件。

文件事件处理函数分类

Redis 中文件事件函数的注册和处理主要分为 3 种。

  • 连接处理函数 acceptTcpHandler

Redis 在启动时，在 initServer 中对监听的 socket 注册读事件，事件处理器为 acceptTcpHandler，该函数在有新连接进入时，会被派发器派发读任务。在处理该读任务时，会 accept 新连接，获取调用方的 IP 及端口，并对新连接创建一个 client 结构。如果同时有大量连接同时进入，Redis 一次最多处理 1000 个连接请求。

  • readQueryFromClient 请求处理函数

连接函数在创建 client 时，会对新连接 socket 注册一个读事件，该读事件的事件处理器就是 readQueryFromClient。在连接 socket 有请求命令到达时，IO 多路复用程序会获取并触发文件事件，然后这个读事件被派发器派发给本请求的处理函数。readQueryFromClient 会从连接 socket 读取数据，存入 client 的 query 缓冲，然后进行解析命令，按照 Redis 当前支持的 2 种请求格式，及 inline 内联格式和 multibulk 字符块数组格式进行尝试解析。解析完毕后，client 会根据请求命令从命令表中获取到对应的 redisCommand，如果对应 cmd 存在。则开始校验请求的参数，以及当前 server 的内存、磁盘及其他状态，完成校验后，然后真正开始执行 redisCommand 的处理函数，进行具体命令的执行，最后将执行结果作为响应写入 client 的写缓冲中。

  • 命令回复处理器 sendReplyToClient

当 redis需要发送响应给client时，Redis 事件循环中会对client的连接socket注册写事件，这个写事件的处理函数就是sendReplyToClient。通过注册写事件，将 client 的socket与 AE_WRITABLE 进行间接关联。当 Client fd 可进行写操作时，就会触发写事件，该函数就会将写缓冲中的数据发送给调用方。

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Redis 中的时间事件是指需要在特定时间执行的事件。多个 Redis 中的时间事件构成 aeEventLoop 中的一个链表，供 Redis 在 ae 事件循环中轮询执行。

Redis 当前的主要时间事件处理函数有 2 个：

  • serverCron
  • moduleTimerHandler

Redis 中的时间事件分为 2 类：

  • 单次时间，即执行完毕后，该时间事件就结束了。
  • 周期性事件，在事件执行完毕后，会继续设置下一次执行的事件，从而在时间到达后继续执行，并不断重复。

时间事件主要有 5 个属性组成。

  • 事件 ID：Redis 为时间事件创建全局唯一 ID，该 ID 按从小到大的顺序进行递增。
  • 执行时间 when_sec 和 when_ms：精确到毫秒，记录该事件的到达可执行时间。
  • 时间事件处理器 timeProc：在时间事件到达时，Redis 会调用相应的 timeProc 处理事件。
  • 关联数据 clientData：在调用 timeProc 时，需要使用该关联数据作为参数。
  • 链表指针 prev 和 next：它用来将时间事件维护为双向链表，便于插入及查找所要执行的时间事件。

时间事件的处理是在事件循环中的 aeProcessEvents 中进行。执行过程是：

  • 首先遍历所有的时间事件。
  • 比较事件的时间和当前时间，找出可执行的时间事件。
  • 然后执行时间事件的 timeProc 函数。
  • 执行完毕后，对于周期性时间，设置时间新的执行时间；对于单次性时间，设置事件的 ID为 -1，后续在事件循环中，下一次执行 aeProcessEvents 的时候从链表中删除。

参考资料

https://learn.lianglianglee.com/%e4%b8%93%e6%a0%8f/300%e5%88%86%e9%92%9f%e5%90%83%e9%80%8f%e5%88%86%e5%b8%83%e5%bc%8f%e7%bc%93%e5%ad%98-%e5%ae%8c/20%20Redis%e5%a6%82%e4%bd%95%e5%a4%84%e7%90%86%e6%96%87%e4%bb%b6%e4%ba%8b%e4%bb%b6%e5%92%8c%e6%97%b6%e9%97%b4%e4%ba%8b%e4%bb%b6%ef%bc%9f.md