最近在看 UNIX 網(wǎng)絡(luò)編程并研究了一下 Redis 的實(shí)現(xiàn)，感覺(jué) Redis 的源代碼十分適合閱讀和分析，其中 I/O 多路復(fù)用（mutiplexing）部分的實(shí)現(xiàn)非常干凈和優(yōu)雅，在這里想對(duì)這部分的內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)單的整理。
幾種 I/O 模型
為什么 Redis 中要使用 I/O 多路復(fù)用這種技術(shù)呢？
首先，Redis 是跑在單線(xiàn)程中的，所有的操作都是按照順序線(xiàn)性執(zhí)行的，但是由于讀寫(xiě)操作等待用戶(hù)輸入或輸出都是阻塞的，所以 I/O 操作在一般情況下往往不能直接返回，這會(huì)導(dǎo)致某一文件的 I/O 阻塞導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程無(wú)法對(duì)其它客戶(hù)提供服務(wù)，而 I/O 多路復(fù)用就是為了解決這個(gè)問(wèn)題而出現(xiàn)的。
Blocking I/O
先來(lái)看一下傳統(tǒng)的阻塞 I/O 模型到底是如何工作的：當(dāng)使用 read 或者 write 對(duì)某一個(gè)**文件描述符（File Descriptor 以下簡(jiǎn)稱(chēng) FD)**進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，如果當(dāng)前 FD 不可讀或不可寫(xiě)，整個(gè) Redis 服務(wù)就不會(huì)對(duì)其它的操作作出響應(yīng)，導(dǎo)致整個(gè)服務(wù)不可用。
這也就是傳統(tǒng)意義上的，也就是我們?cè)诰幊讨惺褂米疃嗟淖枞Ｐ停?/span>
blocking-io
阻塞模型雖然開(kāi)發(fā)中非常常見(jiàn)也非常易于理解，但是由于它會(huì)影響其他 FD 對(duì)應(yīng)的服務(wù)，所以在需要處理多個(gè)客戶(hù)端任務(wù)的時(shí)候，往往都不會(huì)使用阻塞模型。
I/O 多路復(fù)用
雖然還有很多其它的 I/O 模型，但是在這里都不會(huì)具體介紹。
阻塞式的 I/O 模型并不能滿(mǎn)足這里的需求，我們需要一種效率更高的 I/O 模型來(lái)支撐 Redis 的多個(gè)客戶(hù)（redis-cli），這里涉及的就是 I/O 多路復(fù)用模型了：
I:O-Multiplexing-Mode
在 I/O 多路復(fù)用模型中，最重要的函數(shù)調(diào)用就是 select，該方法的能夠同時(shí)監(jiān)控多個(gè)文件描述符的可讀可寫(xiě)情況，當(dāng)其中的某些文件描述符可讀或者可寫(xiě)時(shí)，select 方法就會(huì)返回可讀以及可寫(xiě)的文件描述符個(gè)數(shù)。
關(guān)于 select 的具體使用方法，在網(wǎng)絡(luò)上資料很多，這里就不過(guò)多展開(kāi)介紹了；
與此同時(shí)也有其它的 I/O 多路復(fù)用函數(shù) epoll/kqueue/evport，它們相比 select 性能更優(yōu)秀，同時(shí)也能支撐更多的服務(wù)。
Reactor 設(shè)計(jì)模式
Redis 服務(wù)采用 Reactor 的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)文件事件處理器（每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接其實(shí)都對(duì)應(yīng)一個(gè)文件描述符）
redis-reactor-pattern
文件事件處理器使用 I/O 多路復(fù)用模塊同時(shí)監(jiān)聽(tīng)多個(gè) FD，當(dāng) accept、read、write 和 close 文件事件產(chǎn)生時(shí)，文件事件處理器就會(huì)回調(diào) FD 綁定的事件處理器。
雖然整個(gè)文件事件處理器是在單線(xiàn)程上運(yùn)行的，但是通過(guò) I/O 多路復(fù)用模塊的引入，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)多個(gè) FD 讀寫(xiě)的監(jiān)控，提高了網(wǎng)絡(luò)通信模型的性能，同時(shí)也可以保證整個(gè) Redis 服務(wù)實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單。
I/O 多路復(fù)用模塊
I/O 多路復(fù)用模塊封裝了底層的 select、epoll、avport 以及 kqueue 這些 I/O 多路復(fù)用函數(shù)，為上層提供了相同的接口。
ae-module
在這里我們簡(jiǎn)單介紹 Redis 是如何包裝 select 和 epoll 的，簡(jiǎn)要了解該模塊的功能，整個(gè) I/O 多路復(fù)用模塊抹平了不同平臺(tái)上 I/O 多路復(fù)用函數(shù)的差異性，提供了相同的接口：
- static int aeApiCreate(aeEventLoop *eventLoop)
- static int aeApiResize(aeEventLoop *eventLoop, int setsize)
- static void aeApiFree(aeEventLoop *eventLoop)
- static int aeApiAddEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask)
- static void aeApiDelEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask)
- static int aeApiPoll(aeEventLoop *eventLoop, struct timeval *tvp)
同時(shí)，因?yàn)楦鱾€(gè)函數(shù)所需要的參數(shù)不同，我們?cè)诿恳粋€(gè)子模塊內(nèi)部通過(guò)一個(gè) aeApiState 來(lái)存儲(chǔ)需要的上下文信息：
- // select
- typedef struct aeApiState {
- fd_set rfds, wfds;
- fd_set _rfds, _wfds;
- } aeApiState;
- // epoll
- typedef struct aeApiState {
- int epfd;
- struct epoll_event *events;
- } aeApiState;
這些上下文信息會(huì)存儲(chǔ)在 eventLoop 的 void *state 中，不會(huì)暴露到上層，只在當(dāng)前子模塊中使用。
封裝 select 函數(shù)
select 可以監(jiān)控 FD 的可讀、可寫(xiě)以及出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況。
在介紹 I/O 多路復(fù)用模塊如何對(duì) select 函數(shù)封裝之前，先來(lái)看一下 select 函數(shù)使用的大致流程：
- int fd = /* file descriptor */
- fd_set rfds;
- FD_ZERO(&rfds);
- FD_SET(fd, &rfds)
- for ( ; ; ) {
- select(fd+1, &rfds, NULL, NULL, NULL);
- if (FD_ISSET(fd, &rfds)) {
- /* file descriptor `fd` becomes readable */
- }
- }
- 初始化一個(gè)可讀的 fd_set 集合，保存需要監(jiān)控可讀性的 FD；
- 使用 FD_SET 將 fd 加入 rfds；
- 調(diào)用 select 方法監(jiān)控 rfds 中的 FD 是否可讀；
- 當(dāng) select 返回時(shí)，檢查 FD 的狀態(tài)并完成對(duì)應(yīng)的操作。
而在 Redis 的 ae_select 文件中代碼的組織順序也是差不多的，首先在 aeApiCreate 函數(shù)中初始化 rfds 和 wfds：
- static int aeApiCreate(aeEventLoop *eventLoop) {
- aeApiState *state = zmalloc(sizeof(aeApiState));
- if (!state) return -1;
- FD_ZERO(&state->rfds);
- FD_ZERO(&state->wfds);
- eventLoop->apidata = state;
- return 0;
- }
而 aeApiAddEvent 和 aeApiDelEvent 會(huì)通過(guò) FD_SET 和 FD_CLR 修改 fd_set 中對(duì)應(yīng) FD 的標(biāo)志位：
- static int aeApiAddEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask) {
- aeApiState *state = eventLoop->apidata;
- if (mask & AE_READABLE) FD_SET(fd,&state->rfds);
- if (mask & AE_WRITABLE) FD_SET(fd,&state->wfds);
- return 0;
- }
整個(gè) ae_select 子模塊中最重要的函數(shù)就是 aeApiPoll，它是實(shí)際調(diào)用 select 函數(shù)的部分，其作用就是在 I/O 多路復(fù)用函數(shù)返回時(shí)，將對(duì)應(yīng)的 FD 加入 aeEventLoop 的 fired 數(shù)組中，并返回事件的個(gè)數(shù)：
- static int aeApiPoll(aeEventLoop *eventLoop, struct timeval *tvp) {
- aeApiState *state = eventLoop->apidata;
- int retval, j, numevents = 0;
- 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) {
- 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;
- eventLoop->fired[numevents].fd = j;
- eventLoop->fired[numevents].mask = mask;
- numevents++;
- }
- }
- return numevents;
- }
封裝 epoll 函數(shù)
Redis 對(duì) epoll 的封裝其實(shí)也是類(lèi)似的，使用 epoll_create 創(chuàng)建 epoll 中使用的 epfd：
- static int aeApiCreate(aeEventLoop *eventLoop) {
- aeApiState *state = zmalloc(sizeof(aeApiState));
- if (!state) return -1;
- state->events = zmalloc(sizeof(struct epoll_event)*eventLoop->setsize);
- if (!state->events) {
- zfree(state);
- return -1;
- }
- state->epfd = epoll_create(1024); /* 1024 is just a hint for the kernel */
- if (state->epfd == -1) {
- zfree(state->events);
- zfree(state);
- return -1;
- }
- eventLoop->apidata = state;
- return 0;
- }
在 aeApiAddEvent 中使用 epoll_ctl 向 epfd 中添加需要監(jiān)控的 FD 以及監(jiān)聽(tīng)的事件：
- static int aeApiAddEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask) {
- aeApiState *state = eventLoop->apidata;
- struct epoll_event ee = {0}; /* avoid valgrind warning */
- /* If the fd was already monitored for some event, we need a MOD
- * operation. Otherwise we need an ADD operation. */
- int op = eventLoop->events[fd].mask == AE_NONE ?
- EPOLL_CTL_ADD : EPOLL_CTL_MOD;
- ee.events = 0;
- mask |= eventLoop->events[fd].mask; /* Merge old events */
- if (mask & AE_READABLE) ee.events |= EPOLLIN;
- if (mask & AE_WRITABLE) ee.events |= EPOLLOUT;
- ee.data.fd = fd;
- if (epoll_ctl(state->epfd,op,fd,&ee) == -1) return -1;
- return 0;
- }
由于 epoll 相比 select 機(jī)制略有不同，在 epoll_wait 函數(shù)返回時(shí)并不需要遍歷所有的 FD 查看讀寫(xiě)情況；在 epoll_wait 函數(shù)返回時(shí)會(huì)提供一個(gè) epoll_event 數(shù)組：
- typedef union epoll_data {
- void *ptr;
- int fd; /* 文件描述符 */
- uint32_t u32;
- uint64_t u64;
- } epoll_data_t;
- struct epoll_event {
- uint32_t events; /* Epoll 事件 */
- epoll_data_t data;
- };
其中保存了發(fā)生的 epoll 事件（EPOLLIN、EPOLLOUT、EPOLLERR 和 EPOLLHUP）以及發(fā)生該事件的 FD。
aeApiPoll 函數(shù)只需要將 epoll_event 數(shù)組中存儲(chǔ)的信息加入 eventLoop 的 fired 數(shù)組中，將信息傳遞給上層模塊：
- static int aeApiPoll(aeEventLoop *eventLoop, struct timeval *tvp) {
- aeApiState *state = eventLoop->apidata;
- int retval, numevents = 0;
- retval = epoll_wait(state->epfd,state->events,eventLoop->setsize,
- tvp ? (tvp->tv_sec*1000 + tvp->tv_usec/1000) : -1);
- if (retval > 0) {
- int j;
- numevents = retval;
- for (j = 0; j < numevents; j++) {
- int mask = 0;
- struct epoll_event *e = state->events+j;
- if (e->events & EPOLLIN) mask |= AE_READABLE;
- if (e->events & EPOLLOUT) mask |= AE_WRITABLE;
- if (e->events & EPOLLERR) mask |= AE_WRITABLE;
- if (e->events & EPOLLHUP) mask |= AE_WRITABLE;
- eventLoop->fired[j].fd = e->data.fd;
- eventLoop->fired[j].mask = mask;
- }
- }
- return numevents;
- }
子模塊的選擇
因?yàn)?Redis 需要在多個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行，同時(shí)為了最大化執(zhí)行的效率與性能，所以會(huì)根據(jù)編譯平臺(tái)的不同選擇不同的 I/O 多路復(fù)用函數(shù)作為子模塊，提供給上層統(tǒng)一的接口；在 Redis 中，我們通過(guò)宏定義的使用，合理的選擇不同的子模塊：
- #ifdef HAVE_EVPORT
- #include "ae_evport.c"
- #else
- #ifdef HAVE_EPOLL
- #include "ae_epoll.c"
- #else
- #ifdef HAVE_KQUEUE
- #include "ae_kqueue.c"
- #else
- #include "ae_select.c"
- #endif
- #endif
- #endif
因?yàn)?select 函數(shù)是作為 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)中的系統(tǒng)調(diào)用，在不同版本的操作系統(tǒng)上都會(huì)實(shí)現(xiàn)，所以將其作為保底方案：
redis-choose-io-function
Redis 會(huì)優(yōu)先選擇時(shí)間復(fù)雜度為 的 I/O 多路復(fù)用函數(shù)作為底層實(shí)現(xiàn)，包括 Solaries 10 中的 evport、Linux 中的 epoll 和 macOS/FreeBSD 中的 kqueue，上述的這些函數(shù)都使用了內(nèi)核內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，并且能夠服務(wù)幾十萬(wàn)的文件描述符。
但是如果當(dāng)前編譯環(huán)境沒(méi)有上述函數(shù)，就會(huì)選擇 select 作為備選方案，由于其在使用時(shí)會(huì)掃描全部監(jiān)聽(tīng)的描述符，所以其時(shí)間復(fù)雜度較差 ，并且只能同時(shí)服務(wù) 1024 個(gè)文件描述符，所以一般并不會(huì)以 select 作為第一方案使用。
總結(jié)
Redis 對(duì)于 I/O 多路復(fù)用模塊的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)潔，通過(guò)宏保證了 I/O 多路復(fù)用模塊在不同平臺(tái)上都有著優(yōu)異的性能，將不同的 I/O 多路復(fù)用函數(shù)封裝成相同的 API 提供給上層使用。
