Redis原理（下）

3-3.非阻塞IO

非阻塞IO的recvfrom操作会立即返回结果而不是阻塞用户进程。

阶段一：

• 用户进程尝试读取数据（比如网卡数据）
• 此时数据尚未到达，内核需要等待数据
• 返回异常给用户进程
• 用户进程拿到error后，再次尝试读取
• 循环往复，直到数据就绪

阶段二：

• 将内核数据拷贝到用户缓冲区
• 拷贝过程中，用户进程依然阻塞等待
• 拷贝完成，用户进程解除阻塞，处理数据
• 可以看到，非阻塞IO模型中，用户进程在第一个阶段是非阻塞，第二个阶段是阻塞状态。虽然是非阻塞，但性能并没有得到提高。而且盲等机制会导致CPU空转，CPU使用率暴增。

3-4.IO多路复用

无论是阻塞IO还是非阻塞IO，用户应用在一阶段都需要调用recvfrom来获取数据，差别在于无数据时的处理方案：

• 如果调用recvfrom时，恰好没有数据，阻塞IO会使CPU阻塞，非阻塞IO使CPU空转，都不能充分发挥CPU的作用。
• 如果调用recvfrom时，恰好有数据，则用户进程可以直接进入第二阶段，读取并处理数据

所以怎么看起来以上两种方式性能都不好

而在单线程情况下，只能依次处理IO事件，如果正在处理的IO事件恰好未就绪（数据不可读或不可写），

线程就会被阻塞，所有IO事件都必须等待，性能自然会很差。

在多路复用模型中，通过文件描述符掌握内核数据是否就绪。

文件描述符（File Descriptor）：简称FD，是一个从0 开始的无符号整数，用来关联Linux中的一个文件。

在Linux中，一切皆文件，例如常规文件、视频、硬件设备等，当然也包括网络套接字（Socket）。

通过FD，我们的网络模型可以利用一个线程监听多个FD，并在某个FD可读、可写时得到通知，

从而避免无效的等待，充分利用CPU资源。

3-4-1.IO多路复用-Select模式

阶段一：

• 用户进程调用select，指定要监听的FD集合
• 核监听FD对应的多个socket
• 任意一个或多个socket数据就绪则返回readable
• 此过程中用户进程阻塞

阶段二：

• 用户进程找到就绪的socket
• 依次调用recvfrom读取数据
• 内核将数据拷贝到用户空间
• 用户进程处理数据

当用户去读取数据的时候，不再去直接调用recvfrom了，而是调用select的函数，

select函数会将需要监听的数据交给内核，由内核去检查这些数据是否就绪了，

如果说这个数据就绪了，就会通知应用程序数据就绪，然后来读取数据，

再从内核中把数据拷贝给用户态，完成数据处理，如果N多个FD一个都没处理完，此时就进行等待。

用IO复用模式，可以确保去读数据的时候，数据是一定存在的，他的效率比原来的阻塞IO和非阻塞IO性能都要高

Select模式缺点：

• 频繁的传递fd集合
• 频繁的去遍历FD
• 能监听的FD最大不超过1024
• 每次select都需要把所有要监听的FD都拷贝到内核空间
• 每次都要遍历所有FD来判断就绪状态

3-4-2.IO多路复用-Poll模式

poll模式对select模式做了简单改进，但性能提升不明显

IO流程：

• 创建pollfd数组，向其中添加关注的fd信息，数组大小自定义
• 调用poll函数，将pollfd数组拷贝到内核空间，转链表存储，无上限
• 内核遍历fd，判断是否就绪
• 数据就绪或超时后，拷贝pollfd数组到用户空间，返回就绪fd数量n
• 用户进程判断n是否大于0,大于0则遍历pollfd数组，找到就绪的fd

与select对比：

• select模式中的fd_set大小固定为1024，而pollfd在内核中采用链表，理论上无上限
• 监听FD越多，每次遍历消耗时间也越久，性能反而会下降

3-4-3.IO多路复用-EPoll模式

epoll模式是对select和poll的改进，它提供了三个函数：

0. eventpoll的函数

• 红黑树 -> 记录的事要监听的FD
• 链表 ->记录的是就绪的FD

2. epoll_ctl的函数

• 紧接着调用epoll_ctl操作，将要监听的数据添加到红黑树上去，
• 给每个fd设置一个监听函数，这个函数会在fd数据就绪时触发，
• 把fd数据添加到list_head中去

3. epoll_wait的函数
   等待，在用户态创建一个空的events数组，当就绪之后，回调函数会把数据添加到list_head中去，
   当调用这个函数的时候，会去检查list_head，这个过程需要参考配置的等待时间，可以等一定时间，也可以一直等，
   如果在此过程中，检查到了list_head中有数据会将数据添加到链表中，此时将数据放入到events数组中，
   并且返回对应的操作的数量，用户态的此时收到响应后，从events中拿到对应准备好的数据的节点，
   再去调用方法去拿数据。
   

Epoll模式优点

• 基于epoll实例中的红黑树保存要监听的FD，理论上无上限，而且增删改查效率都非常高
• 每个FD只需要执行一次epoll_ctl添加到红黑树，以后每次epol_wait无需传递任何参数，无需重复拷贝FD到内核空间
• 利用ep_poll_callback回调函数机制来监听FD状态，无需遍历所有FD，因此性能不会随监听的FD数量增多而下降

3-5.基于Epoll模式的服务端流程

服务器启动以后，服务端会去调用epoll_create，创建一个epoll实例，epoll实例中包含两个数据

1、红黑树（为空）：rb_root 用来去记录需要被监听的FD

2、链表（为空）：list_head，用来存放已经就绪的FD

创建好了之后，会去调用epoll_ctl函数，此函数会会将需要监听的数据添加到rb_root中去，

并且对当前这些存在于红黑树的节点设置回调函数，当这些被监听的数据一旦准备完成，就会被调用，

而调用的结果就是将红黑树的fd添加到list_head中去(但是此时并没有完成)

3、当第二步完成后，就会调用epoll_wait函数，这个函数会去校验是否有数据准备完毕

（因为数据一旦准备就绪，就会被回调函数添加到list_head中），在等待了一段时间后(可以进行配置)，

如果等够了超时时间，则返回没有数据，如果有，则进一步判断当前是什么事件，如果是建立连接时间，则调用accept() 接受客户端socket，拿到建立连接的socket，然后建立起来连接，如果是其他事件，则把数据进行写出

3-6.信号驱动

信号驱动IO是与内核建立SIGIO的信号关联并设置回调，

当内核有FD就绪时，会发出SIGIO信号通知用户，期间用户应用可以执行其它业务，无需阻塞等待。

阶段一：

• 用户进程调用sigaction，注册信号处理函数
• 内核返回成功，开始监听FD
• 用户进程不阻塞等待，可以执行其它业务
• 当内核数据就绪后，回调用户进程的SIGIO处理函数

阶段二：

• 收到SIGIO回调信号
• 调用recvfrom，读取
• 内核将数据拷贝到用户空间
• 用户进程处理数据

信号驱动缺点

当有大量IO操作时，信号较多，SIGIO处理函数不能及时处理可能导致信号队列溢出，

而且内核空间与用户空间的频繁信号交互性能也较低。

3-7.异步IO

这种方式，不仅仅是用户态在试图读取数据后，不阻塞，而且当内核的数据准备完成后，也不会阻塞

他会由内核将所有数据处理完成后，由内核将数据写入到用户态中，然后才算完成，所以性能极高，

不会有任何阻塞，全部都由内核完成，可以看到，异步IO模型中，用户进程在两个阶段都是非阻塞状态。

3-8.Redis多线程网络模型

当我们的客户端想要去连接我们服务器，会去先到IO多路复用模型去进行排队，会有一个连接应答处理器，

他会去接受读请求，然后又把读请求注册到具体模型中去，此时这些建立起来的连接，

如果是客户端请求处理器去进行执行命令时，他会去把数据读取出来，然后把数据放入到client中，

clinet去解析当前的命令转化为redis认识的命令，接下来就开始处理这些命令，

从redis中的command中找到这些命令，然后就真正的去操作对应的数据了，

当数据操作完成后，会去找到命令回复处理器，再由他将数据写出。

4-Redis-RESP通信协议

Redis是一个CS架构的软件，通信一般分两步（不包括pipeline和PubSub）：

• 客户端（client）向服务端（server）发送一条命令
• 服务端解析并执行命令，返回响应结果给客户端

因此客户端发送命令的格式、服务端响应结果的格式必须有一个规范，这个规范就是通信协议。

而在Redis中采用的是RESP（Redis Serialization Protocol）协议：

• Redis 1.2版本引入了RESP协议
• Redis 2.0版本中成为与Redis服务端通信的标准，称为RESP2
• Redis 6.0版本中，从RESP2升级到了RESP3协议，增加了更多数据类型并且支持6.0的新特性--客户端缓存

但目前，默认使用的依然是RESP2协议，也是我们要学习的协议版本（以下简称RESP）。

在RESP中，通过首字节的字符来区分不同数据类型，常用的数据类型包括5种：

0. 单行字符串：首字节是 ‘+’ ，后面跟上单行字符串，以CRLF（ "\r\n" ）结尾。例如返回"OK"： "+OK\r\n"
   
1. 错误（Errors）：首字节是 ‘-’ ，与单行字符串格式一样，只是字符串是异常信息，例如："-Error message\r\n"
   
2. 数值：首字节是 ‘:’ ，后面跟上数字格式的字符串，以CRLF结尾。例如：":10\r\n"
   
3. 多行字符串：首字节是 ‘$’ ，表示二进制安全的字符串，最大支持512MB：

1. 如果大小为0，则代表空字符串："$0\r\n\r\n"
2. 如果大小为-1，则代表不存在："$-1\r\n"

5. 数组：首字节是 ‘*’，后面跟上数组元素个数，再跟上元素，元素数据类型不限:
   

5-Redis内存回收

Redis之所以性能强，最主要的原因就是基于内存存储。

然而单节点的Redis其内存大小不宜过大，会影响持久化或主从同步性能。

我们可以通过修改配置文件来设置Redis的最大内存

当内存使用达到上限时，就无法存储更多数据了。为了解决这个问题，Redis提供了一些策略实现内存回收：

• 内存过期策略
• 内存淘汰策略

5-1.内存过期策略

通过expire命令给Redis的key设置TTL（存活时间）

可以发现，当key的TTL到期以后，再次访问name返回的是nil，

说明这个key已经不存在了，对应的内存也得到释放。从而起到内存回收的目的。

Redis本身是一个典型的key-value内存存储数据库，因此所有的key、value都保存在之前学习过的Dict结构中。

不过在其database结构体中，有两个Dict：一个用来记录key-value；另一个用来记录key-TTL。

5-1-1.惰性删除

顾明思议并不是在TTL到期后就立刻删除，

而是在访问一个key的时候，检查该key的存活时间，如果已经过期才执行删除。

5-1-2.周期删除

顾明思议是通过一个定时任务，周期性的抽样部分过期的key，然后执行删除。执行周期有两种：

0. Redis服务初始化函数initServer()中设置定时任务，按照server.hz的频率来执行过期key清理，模式为SLOW

• SLOW模式规则：

• 执行频率受server.hz影响，默认为10，即每秒执行10次，每个执行周期100ms。
• 执行清理耗时不超过一次执行周期的25%.默认slow模式耗时不超过25ms
• 逐个遍历db，逐个遍历db中的bucket，抽取20个key判断是否过期
• 如果没达到时间上限（25ms）并且过期key比例大于10%，再进行一次抽样，否则结束

2. Redis的每个事件循环前会调用beforeSleep()函数，执行过期key清理，模式为FAST

• FAST模式规则（过期key比例小于10%不执行 ）

• 执行频率受beforeSleep()调用频率影响，但两次FAST模式间隔不低于2ms
  
• 执行清理耗时不超过1ms
  
• 逐个遍历db，逐个遍历db中的bucket，抽取20个key判断是否过期
  如果没达到时间上限（1ms）并且过期key比例大于10%，再进行一次抽样，否则结束
  

5-2.内存淘汰策略

内存淘汰就是当Redis内存使用达到设置的上限时，主动挑选部分key删除以释放更多内存的流程。

Redis会在处理客户端命令的方法processCommand()中尝试做内存淘汰。

Redis支持8种不同策略来选择要删除的key：

• noeviction： 不淘汰任何key，但是内存满时不允许写入新数据，默认就是这种策略。
  
• volatile-ttl： 对设置了TTL的key，比较key的剩余TTL值，TTL越小越先被淘汰
  
• allkeys-random：对全体key ，随机进行淘汰。也就是直接从db->dict中随机挑选
  
• volatile-random：对设置了TTL的key ，随机进行淘汰。也就是从db->expires中随机挑选。
  
• allkeys-lru： 对全体key，基于LRU算法进行淘汰
  
• volatile-lru： 对设置了TTL的key，基于LRU算法进行淘汰
  
• allkeys-lfu： 对全体key，基于LFU算法进行淘汰
  
• volatile-lfu： 对设置了TTL的key，基于LFI算法进行淘汰 比较容易混淆的有两个：

• LRU（Least Recently Used），最少最近使用。用当前时间减去最后一次访问时间，这个值越大则淘汰优先级越高。
• LFU（Least Frequently Used），最少频率使用。会统计每个key的访问频率，值越小淘汰优先级越高。