Redis源碼學習之事件驅動
作者：佚名
Redis基于多路復用技術實現了一套簡單的事件驅動庫，代碼在ae.h、ae.c以及ae_epoll.c、ae_evport.c和ae_kqueue.c、ae_select.c這幾個文件中。其中ae表示的是antirez eventloop的意思。
Redis基于多路復用技術實現了一套簡單的事件驅動庫，代碼在ae.h、ae.c以及ae_epoll.c、ae_evport.c和ae_kqueue.c、ae_select.c這幾個文件中。其中ae表示的是antirez eventloop的意思。
Redis里面包含兩種事件類型:FileEvent和TimeEvent。
Redis采用IO多路復用技術，所有的事件都是在一個線程中進行處理。Redis的事件驅動模型可以以以下為代碼進行表示:
- int main(int argc,char **argv)
- {
- while(true) {
- // 等待事件到來:wait4Event();
- // 處理事件:processEvent()
- }
- }
在一個死循環中等待事件的到來，然后對事件進行處理，以此往復。這就是一個最經典的網絡編程模型。
1.基本數據結構
aeEventLoop
aeEventLoop是Redis中事件驅動模型的核心，封裝了整個事件循環，其中每個字段解釋如下：
- maxfd:已經接受的最大的文件描述符。
- setsize:當前循環中所能容納的文件描述符的數量。
- timeEventNextId:下一個時間事件的ID.
- lastTime:上一次被訪問的時間，用來檢測系統時鐘是否被修改。
- events:指針，指向保存所有注冊的事件的數組首地址。
- fired:指針，保存所有已經買被觸發的事件的數組首地址。
- timeEventHead:Redis用一個鏈表來存儲所有的時間事件，timeEventHead是指向這個鏈表的首節點指針。
- stop:停止整個事件循環。
- apiData:指針，指向epoll結構。
- beforeSleep:函數指針。每次實現循環的時候，在阻塞直到時間到來之前，會先調用這個函數。
aeFileEvent和aeTimeEvent
這兩個結構分別表示文件事件和時間事件，定義如下
- typedef struct aeFileEvent {
- int mask; /* one of AE_(READABLE|WRITABLE) */
- aeFileProc *rfileProc; // 函數指針，寫事件處理
- aeFileProc *wfileProc; // 函數指針，讀事件處理
- void *clientData; // 具體的數據
- } aeFileEvent;
其中mask表示文件事件類型掩碼，可以是AE_READABLE表示是可讀事件，AE_WRITABLE為可寫事件。aeFileProc是函數指針。
- /* Time event structure */
- typedef struct aeTimeEvent {
- long long id; // 事件ID
- long when_sec; // 事件觸發的時間:s
- long when_ms; // 事件觸發的時間:ms
- aeTimeProc *timeProc; // 函數指針
- aeEventFinalizerProc *finalizerProc; // 函數指針:在對應的aeTieEvent節點被刪除前調用，可以理解為aeTimeEvent的析構函數
- void *clientData; // 指針，指向具體的數據
- struct aeTimeEvent *next; // 指向下一個時間事件指針
- } aeTimeEvent;
aeFiredEvent
aeFiredEvent結構表示一個已經被觸發的事件，結果如下:
- /* A fired event */
- typedef struct aeFiredEvent {
- int fd; // 事件被觸發的文件描述符
- int mask; // 被觸發事件的掩碼，表示被觸發事件的類型
- } aeFiredEvent;
fd表示事件發生在哪個文件描述符上面，mask用來表示具體事件的類型。
aeApiState
Redis底層采用IO多路復用技術實現高并發，具體實現可以采用kqueue、select、epoll等技術。對于Linux來說，epoll的性能要優于select，所以以epoll為例來進行分析。
- typedef struct aeApiState {
- int epfd;
- struct epoll_event *events;
- } aeApiState;
aeApiState封裝了跟epoll相關的數據，epfd保存epoll_create()返回的文件描述符。
具體實現細節
事件循環啟動:aeMain()
事件驅動的啟動代碼位于ae.c的aeMain()函數中，代碼如下:
從aeMain()方法中可以看到，整個事件驅動是在一個while()循環中不停地執行aeProcessEvents()方法，在這個方法中執行從客戶端發送過來的請求。
初始化:aeCreateEventLoop()
aeEventLoop的初始化是在aeCreateEventLoop()方法中進行的，這個方法是在server.c中的initServer()中調用的。實現如下:
在這個方法中主要就是給aeEventLoop對象分配內存然后并進行初始化。其中關鍵的地方有：
1、調用aeApiCreate()初始化epoll相關的數據。aeApiCreate()實現如下:
在aeApiCreate()方法中主要完成以下三件事：
- 分配aeApiState結構需要的內存。
- 調用epoll_create()方法生成epoll的文件描述符，并保存在aeApiState.epfd字段中。
- 把第一步分配的aeApiState的內存地址保存在EventLoop->apidata字段中。
2、初始化events中的mask字段為為AE_NONE。
生成fileEvent:aeCreateFileEvent()
Redis使用aeCreateFileEvent()來生成fileEvent，代碼如下:
aeCreateFileEvent()方法主要做了以下三件事:
- 檢查新增的fd是否超過所能容納最大值。
- 調用aeApiAddEvent()方法把對應的fd以mask模式添加到epoll監聽器中。
- 設置相應的字段值。
其中最關鍵的步驟是第二步，aeApiAddEvent()方法如下：
生成timeEvent:aeCreateTimeEvent()
aeCreateTimeEvent()方法主要是用來生成timeEvent節點，其實現比較簡單，代碼如下所示:
處理timeEevnt:processTimeEvents()
Redis在processTimeEvents()方法中來處理所有的timeEvent，實現如下:
- static int processTimeEvents(aeEventLoop *eventLoop) {
- int processed = 0;
- aeTimeEvent *te, *prev;
- long long maxId;
- time_t now = time(NULL);
- /**
- * 如果系統時間被調整到將來某段時間然后又被設置回正確的時間,
- * 這種情況下鏈表中的timeEvent有可能會被隨機的延遲執行,因
- * 此在這個情況下把所有的timeEvent的觸發時間設置為0表示及執行
- */
- if (now < eventLoop->lastTime) {
- te = eventLoop->timeEventHead;
- while(te) {
- te->when_sec = 0;
- te = te->next;
- }
- }
- eventLoop->lastTime = now; // 設置上次運行時間為now
- prev = NULL;
- te = eventLoop->timeEventHead;
- maxId = eventLoop->timeEventNextId-1;
- while(te) {
- long now_sec, now_ms;
- long long id;
- /**
- * 刪除已經被標志位 刪除 的時間事件
- */
- if (te->id == AE_DELETED_EVENT_ID) {
- aeTimeEvent *next = te->next;
- if (prev == NULL)
- eventLoop->timeEventHead = te->next;
- else
- prev->next = te->next;
- if (te->finalizerProc)
- // 在時間事件節點被刪除前調用finlizerProce()方法
- te->finalizerProc(eventLoop, te->clientData);
- zfree(te);
- te = next;
- continue;
- }
- if (te->id > maxId) {
- /**
- * te->id > maxId 表示當前te指向的timeEvent為當前循環中新添加的,
- * 對于新添加的節點在本次循環中不作處理。
- * PS:為什么會出現這種情況呢？有可能是在timeProc()里面會注冊新的timeEvent節點?
- * 對于當前的Redis版本中不會出現te->id > maxId這種情況
- */
- te = te->next;
- continue;
- }
- aeGetTime(&now_sec, &now_ms);
- if (now_sec > te->when_sec ||
- (now_sec == te->when_sec && now_ms >= te->when_ms))
- {
- // 如果當前時間已經超過了對應的timeEvent節點設置的觸發時間，
- // 則調用timeProc()方法執行對應的任務
- int retval;
- id = te->id;
- retval = te->timeProc(eventLoop, id, te->clientData);
- processed++;
- if (retval != AE_NOMORE) {
- // 要執行多次，則計算下次執行時間
- aeAddMillisecondsToNow(retval,&te->when_sec,&te->when_ms);
- } else {
- // 如果只需要執行一次，則把id設置為-1，再下次循環中刪除
- te->id = AE_DELETED_EVENT_ID;
- }
- }
- prev = te;
- te = te->next;
- }
- return processed;
- }
在這個方法中會
- 判斷系統時間有沒有調整過，如果調整過，則會把timeEvent鏈表中的所有的timeEvent的觸發時間設置為0，表示立即執行。
- 對timeEvent鏈表進行遍歷，對于每個timeEvent節點，如果有：
- 返回為AE_NOMORE，表示當前timeEvent節點屬于一次性事件，標記該節點ID為AE_DELETED_EVENT_ID,表示刪除節點，該節點將會在下一輪的循環中被刪除。
- 返回不是AE_NOMORE，表示當前timeEvent節點屬于周期性事件，需要多次執行，調用aeAddMillisecondsToNow()方法設置下次被執行時間。
- 如果已經被標記為刪除(AE_DELETED_EVENT_ID)，則立即釋放對應節點內存，遍歷下個節點。
- 如果id大于maxId,則表示當前節點為本次循環中新增節點，咋本次循環中不錯處理，繼續下個節點。
- 如果當前節點的觸發時間大于當前時間，則調用對應節點的timeProc()方法執行任務。根據timeProc()方法的返回，又分為兩種情況:
處理所有事件:aeProcessEvents()
Redis中所有的事件，包括timeEvent和fileEvent都是在aeProcessEvents()方法中進行處理的，剛方法實現如下：
- /* Process every pending time event, then every pending file event
- * (that may be registered by time event callbacks just processed).
- * Without special flags the function sleeps until some file event
- * fires, or when the next time event occurs (if any).
- *
- * If flags is 0, the function does nothing and returns.
- * if flags has AE_ALL_EVENTS set, all the kind of events are processed.
- * if flags has AE_FILE_EVENTS set, file events are processed.
- * if flags has AE_TIME_EVENTS set, time events are processed.
- * if flags has AE_DONT_WAIT set the function returns ASAP until all
- * the events that's possible to process without to wait are processed.
- *
- * The function returns the number of events processed. */
- int aeProcessEvents(aeEventLoop *eventLoop, int flags)
- {
- int processed = 0, numevents;
- /**
- * 既沒有時間事件也沒有文件事件，則直接返回
- */
- if (!(flags & AE_TIME_EVENTS) && !(flags & AE_FILE_EVENTS)) return 0;
- /**
- * -1 == eventloop->maxfd 表示還么有任何aeFileEvent被添加到epoll
- * 事件循環中進行監聽
- */
- if (eventLoop->maxfd != -1 ||
- ((flags & AE_TIME_EVENTS) && !(flags & AE_DONT_WAIT))) {
- int j;
- aeTimeEvent *shortest = NULL;
- struct timeval tv, *tvp;
- /**
- * 如果有aeFileEvent需要處理，就先要從所有待處理的
- * aeTimeEvent事件中找到最近的將要被執行的aeTimeEvent節點
- * 并結算該節點觸發時間
- */
- if (flags & AE_TIME_EVENTS && !(flags & AE_DONT_WAIT))
- shortest = aeSearchNearestTimer(eventLoop);
- if (shortest) {
- long now_sec, now_ms;
- aeGetTime(&now_sec, &now_ms);
- tvp = &tv;
- /* How many milliseconds we need to wait for the next
- * time event to fire? */
- // 計算epoll_wait()需要等待的時間
- long long ms =
- (shortest->when_sec - now_sec)*1000 +
- shortest->when_ms - now_ms;
- if (ms > 0) {
- tvp->tv_sec = ms/1000;
- tvp->tv_usec = (ms % 1000)*1000;
- } else {
- tvp->tv_sec = 0;
- tvp->tv_usec = 0;
- }
- } else {
- // 如果flags設置了AE_DONT_WAIT,則設置epoll_wait()等待時間為0，
- // 即立刻從epoll中返回
- if (flags & AE_DONT_WAIT) {
- tv.tv_sec = tv.tv_usec = 0;
- tvp = &tv;
- } else {
- /* Otherwise we can block */
- tvp = NULL; /* wait forever */
- }
- }
- // 調用aeApiPoll()進行阻塞等待事件的到來，等待時間為tvp
- numevents = aeApiPoll(eventLoop, tvp);
- for (j = 0; j < numevents; j++) {
- 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. */
- // fe->mask && mask 的目的是確保對應事件時候還有效
- if (fe->mask & mask & AE_READABLE) {
- rfired = 1;
- fe->rfileProc(eventLoop,fd,fe->clientData,mask);
- }
- if (fe->mask & mask & AE_WRITABLE) {
- if (!rfired || fe->wfileProc != fe->rfileProc)
- fe->wfileProc(eventLoop,fd,fe->clientData,mask);
- }
- processed++;
- }
- }
- /* Check time events */
- if (flags & AE_TIME_EVENTS)
- // 處理aeTimeEvent
- processed += processTimeEvents(eventLoop);
- return processed; /* return the number of processed file/time events */
- }
該方法的入參flag表示要處理哪些事件，可以取以下幾個值 ：
- AE_ALL_EVENTS:timeEvent和fileEvent都會處理。
- AE_FILE_EVENTS:只處理fileEvent。
- AE_TIME_EVENTS:只處理timeEvent。
- AE_DONT_WAIT:要么立馬返回，要么處理完那些不需要等待的事件之后再立馬返回。
aeProcessEvents()方法會做下面幾件事:
- 判斷傳入的flag的值，如果既不包含AE_TIME_EVENTS也不包含AE_FILE_EVENTS則直接返回。
- 計算如果有aeFileEvent事件需要進行處理，則先計算epoll_wait()方法需要阻塞等待的時間，計算方式如下:
- 先從aeTimeEvent事件鏈表中找到最近的需要被觸發的aeTimeEvent節點并計算需要被觸發的時間，該被觸發時間則為epoll_wait()需要等待的時間。
- 如果沒有找到最近的aeTimeEvent節點，表示沒有aeTimeEvent節點被加入鏈表，則判斷傳入的flags是否包含AE_DONT_WAIT選項，則設置epoll_wait()需要等待時間為0，表示立即返回。
- 如果沒有設置AE_DONT_WAIT,則設置需要等待時間為NULL,表示epoll_wait()一直阻塞等待知道有fileEvent事件到來。
- 調用aeApiPoll()方法阻塞等待事件的到來，阻塞時間為第二步中計算的時間。aeApiPoll()實現見文末：
- aeApiPoll()會做下面幾件事:
- 根據傳入的tvp計算需要阻塞的時間，然后調用epoll_wait()進行阻塞等待。
- 有事件到來之后先計算對應事件的類型。
- 把事件發生的fd以及對應的類型mask拷貝到fired數組中。
- aeApiPoll()會做下面幾件事:
- 從aeApiPoll()方法返回之后，所有事件已經就緒了的fd以及對應事件的類型mask已經保存在eventLoop->fired[]數組中。依次遍歷fired數組，根據mask類型，執行對應的frileProc()或者wfileProce()方法。
- 如果傳入的flags中有AE_TIME_EVENTS,則調用processTimeEvents()執行所有已經到時間了的timeEvent。
本系列
責任編輯：龐桂玉
來源：
數據庫開發
