分析Redis架構設計

一、前言

因為近期項目中開始使用Redis，為了更好的理解Redis並應用在適合的業務場景，需要對Redis設計與實現深入的理解。

我分析流程是按照從main進入，逐步深入分析Redis的啟動流程。同時根據Redis初始化的流程，理解Redis各個模塊的功能及原理。

二、redis啟動流程

1.初始化server變量，設置redis相關的默認值

2.讀入配置文件，同時接收命令行中傳入的參數，替換服務器設置的默認值

3.初始化服務器功能模塊。在這一步初始化了包括進程信號處理、客戶端鏈表、共享對象、初始化數據、初始化網絡連接等

4.從RDB或AOF重載數據

5.網絡監聽服務啟動前的准備工作

6.開啟事件監聽，開始接受客戶端的請求

啟動的部分過程通過查看下圖，會更直觀。

下面是針對啟動過程中，對各個模塊的詳細理解。（目前只分析了後台線程系統與慢查詢日志系統）

三、Redis數據持久化方案

在使用redis時不少人都說一個問題，就是說redis宕機了怎麼辦？會不會數據丟失等等的問題。

現在來看看Redis提供的數據持久化解決方案，並通過原理分析優缺點。最終能得出Redis適合使用的應用場景。

1.RDB持久化方案

在Redis運行時，RDB程序將當前內存中的數據庫快照保存到磁盤中，當Redis需要重啟時，RDB程序會通過重載RDB文件來還原數據庫。

從上述描述可以看出，RDB主要包括兩個功能：

關於rdb的實現可以見src/rdb.c

a）保存(rdbSave)

rdbSave負責將內存中的數據庫數據以RDB格式保存到磁盤中，如果RDB文件已經存在將會替換已有的RDB文件。保存RDB文件期間會阻塞主進程，這段時間期間將不能處理新的客戶端請求，直到保存完成為止。

為避免主進程阻塞，Redis提供了rdbSaveBackground函數。在新建的子進程中調用rdbSave，保存完成後會向主進程發送信號，同時主進程可以繼續處理新的客戶端請求。

b）讀取(rdbLoad)

當Redis啟動時，會根據配置的持久化模式，決定是否讀取RDB文件,並將其中的對象保存到內存中。

載入RDB過程中，每載入1000個鍵就處理一次已經等待處理的客戶端請求，但是目前僅處理訂閱功能的命令(PUBLISH 、 SUBSCRIBE 、 PSUBSCRIBE 、 UNSUBSCRIBE 、 PUNSUBSCRIBE)，其他一律返回錯誤信息。因為發布訂閱功能是不寫入數據庫的，也就是不保存在Redis數據庫的。

RDB的缺點：

再說RDB缺點時，需要提到的是RDB有保存點的概念。在默認的redis.conf中可以看到這樣的默認配置：

[plain]view plaincopy

1. #save

[plain]view plaincopy

1. save9001#如果15分鐘內，有1個鍵被修改

[plain]view plaincopy

1. save30010#如果6分鐘內，有10個鍵被修改

[plain]view plaincopy

1. save6010000#如果60秒內有10000個鍵被修改

意思是當滿足上面任意一個條件時，將會進行快照保存。為了保證IO讀寫性能不會成為Redis的瓶頸，一般都會創建一個比較大的值來作為保存點。

1.此時如果保存點設置過大，就會導致宕機丟失的數據過多。保存點設置過小，又會造成IO瓶頸

2.當對數據進行保存時，可能會由於數據集過大導致操作耗時，這會導致Redis可能在短時間內無法處理客戶端請求。

2.AOF持久化方案

以協議文本的方式，將所有對數據庫進行的寫入命令記錄到AOF文件，達到記錄數據庫狀態的目的。

a)保存

1.將客戶端請求的命令轉換為網絡協議格式

2.將協議內容字符串追加到變量server.aof_buf中

3.當AOF系統達到設定的條件時，會調用aof_fsync(文件描述符號)將數據寫入磁盤

其中第三步提到的設定條件，就是AOF性能的關鍵點。目前Redis支持三種保存條件機制：

1.AOF_FSYNC_NO：不保存

此模式下，每執行一條客戶端的命令，都會將協議字符串追加到server.aof_buf中，但不會執行寫入磁盤。

寫入只發生在：

1.Redis被正常關閉

2.Aof功能關閉

3.系統寫緩存已滿，或後台定時保存操作被執行

上面三種情況都會阻塞主進程，導致客戶端請求失敗。

2.AOF_FSYNC_EVERYSECS：每一秒保存一次

由後台子進程調用寫入保存，不會阻塞主進程。如果發生宕機，那麼最大丟失數據會在2s以內的數據。這也是默認的設置選項

3.AOF_FSYNC_ALWAYS：每執行一個命令都保存一次

這種模式下，可以保證每一條客戶端指令都被保存，保證數據不會丟失。但缺點就是性能大大下降，因為每一次操作都是獨占性的，需要阻塞主進程。

b)讀取

AOF保存的是數據協議格式的數據，所以只要將AOF中的數據轉換為命令，模擬客戶端重新執行一遍，就可以還原所有數據庫狀態。

讀取的過程是：

1.創建模擬的客戶端

2.讀取AOF保存的文本，還原數據為原命令和原參數。然後使用模擬的客戶端發出這個命令請求。

3.繼續執行第二步，直到讀取完AOF文件

AOF需要將所有的命令都保存到磁盤，那麼這個文件會隨著時間變得越來越大。讀取也會變得很慢。

Redis提供了AOF的重寫機制，幫助減少文件的大小。實現的思路是：

[plain]view plaincopy

1. LPUSHlist12345

[plain]view plaincopy

1. LPOPlist

[plain]view plaincopy

1. LPOPlist

[plain]view plaincopy

1. LPUSHlist1

最初保存到AOF文件的將會是四條指令。但經過AOF重寫後，會變成一條指令：

[plain]view plaincopy

1. LPUSHlist1345

同時，考慮到為了在AOF重寫時，不影響AOF的寫入增加了AOF重寫緩存的概念。

也就是說Redis在開啟AOF時，除了將命令格式數據寫入到AOF文件，同時也會寫入到AOF重寫緩存。這樣AOF的寫入、重寫就做到了隔離，保證了重寫時不會阻塞寫入。

c)AOF重寫流程

1.AOF重寫完成會向主進程發送一個完成的信號

2.會將AOF重寫緩存中的數據全部寫入到文件中

3.用新的AOF文件，覆蓋原有的AOF文件。

d)AOF缺點

1.AOF文件通常會大於相同數據集的RDB文件

2.AOF模式下性能與RDB模式下性能高低，主要取決於AOF選用的fsync模式

下面給出客戶端請求RedisServer時，server端持久化的部分操作圖解。

 

四、Redis數據庫的實現

Redis是一個鍵值對數據庫，稱為鍵空間。實現這種KV形式的存儲，Redis使用了兩種數據結構類型：1、字典
Redis字典使用的是哈希表實現，原本不准備詳細介紹Redis哈希表的實現。但發現Redis在實現哈希表時，
提供了一個很好的rehash方案，這個方案思路很好，甚至可以衍生到其他各個應用中使用，方案的名稱叫“漸進式Rehash”。

實現哈希表的方法大同小異，但為何各個開源軟件總是去開發自己獨有的哈希數據結構呢？
從研究PHP內核的哈希實現與Redis哈希實現，發現應用場景決定了必須定制才能更好的發揮性能。(關於PHP哈希實現可以參看：PHP內核中的神器之HashTable)
a）PHP主要應用於WEB場景，在WEB場景針對單次請求數據之間是隔離的，並且哈希的數量是有限的，那麼進行一次rehash也是很快的。
所以PHP內核使用阻塞形式rehash，即rehash進行中將不能對當前哈希表進行任何操作。

b）在來看Redis，常駐進程，接收客戶端請求處理各項事務，並且操作的數據是相關且數據量較大的，如果使用PHP內核的那種方式就會出現：
對哈希表進行rehash時，此時將阻塞所有客戶端請求，並發性能會大大下降。
 

初始化字典圖解：

新增字典元素圖解：

Rehash執行流程：