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Redis的事件驱动模型是什么

2023-06-10 12:06未知服务器之家 数据库技术

使用 Socket 模型实现网络通信时,需要经过创建 Socket、监听端口、处理连接和读写请求等多个步骤,现在我们就来具体了解下这些步骤中的关键操作,以此帮助我们分析 Socket 模型中的不足。 首先,当我们需要让服务器端和客户端

使用 Socket 模型实现网络通信时,需要经过创建 Socket、监听端口、处理连接和读写请求等多个步骤,现在我们就来具体了解下这些步骤中的关键操作,以此帮助我们分析 Socket 模型中的不足。

首先,当我们需要让服务器端和客户端进行通信时,可以在服务器端通过以下三步,来创建监听客户端连接的监听套接字(Listening Socket):

  • 调用 socket 函数,创建一个套接字。一般情况下,我们将该套接字称为主动套接字

  • 调用 bind 函数,将主动套接字和当前服务器的 IP 和监听端口进行绑定;

  • 调用 listen 函数,将主动套接字转换为监听套接字,开始监听客户端的连接。

在完成上述三步之后,服务器端就可以接收客户端的连接请求了。为了能及时地收到客户端的连接请求,我们可以运行一个循环流程,在该流程中调用 accept 函数,用于接收客户端连接请求。

这里你需要注意的是,accept 函数是阻塞函数,也就是说,如果此时一直没有客户端连接请求,那么,服务器端的执行流程会一直阻塞在 accept 函数。一旦有客户端连接请求到达,accept 将不再阻塞,而是处理连接请求,和客户端建立连接,并返回已连接套接字(Connected Socket)。

最后,服务器端可以通过调用 recv 或 send 函数,在刚才返回的已连接套接字上,接收并处理读写请求,或是将数据发送给客户端。

代码:

listenSocket = socket(); //调用socket系统调用创建一个主动套接字
bind(listenSocket); //绑定地址和端口
listen(listenSocket); //将默认的主动套接字转换为服务器使用的被动套接字,也就是监听套接字
while(1) { //循环监听是否有客户端连接请求到来
connSocket = accept(listenSocket);//接受客户端连接
recv(connSocket);//从客户端读取数据,只能同时处理一个客户端
send(connSocket);//给客户端返回数据,只能同时处理一个客户端
}

不过,从上述代码中,你可能会发现,虽然它能够实现服务器端和客户端之间的通信,但是程序每调用一次 accept 函数,只能处理一个客户端连接。因此,如果想要处理多个并发客户端的请求,我们就需要使用多线程,来处理通过 accept 函数建立的多个客户端连接上的请求。

使用这种方法后,我们需要在 accept 函数返回已连接套接字后,创建一个线程,并将已连接套接字传递给创建的线程,由该线程负责这个连接套接字上后续的数据读写。同时,服务器端的执行流程会再次调用 accept 函数,等待下一个客户端连接。

多线程:

listenSocket = socket(); //调用socket系统调用创建一个主动套接字
bind(listenSocket); //绑定地址和端口
listen(listenSocket); //将默认的主动套接字转换为服务器使用的被动套接字,也就是监听套接字
while(1) { //循环监听是否有客户端连接请求到来
connSocket = accept(listenSocket);//接受客户端连接
pthread_create(processData, connSocket);//创建新线程对已连接套接字进行处理
}

processData(connSocket){
recv(connSocket);//从客户端读取数据,只能同时处理一个客户端
send(connSocket);//给客户端返回数据,只能同时处理一个客户端
}

虽然这种方法能提升服务器端的并发处理能力,但是,Redis 的主执行流程是由一个线程在执行,无法使用多线程的方式来提升并发处理能力。所以,该方法对redis并不起作用。

还有没有什么其他方法,能帮助 Redis 提升并发客户端的处理能力呢?这就要用到操作系统提供的IO多路复用功能。在基本的 Socket 编程模型中,accept 函数只能在一个监听套接字上监听客户端的连接,recv 函数也只能在一个已连接套接字上,等待客户端发送的请求。

因为 Linux 操作系统在实际应用中比较广泛,所以这节课,我们主要来学习 Linux 上的 IO 多路复用机制。select、poll以及epoll是Linux所提供的IO多路复用机制的三种主要形式。下面,我们就分别来学习下这三种机制的实现思路和使用方法。接下来,我们再探究一下为什么 Redis 常常选择使用 epoll 机制来实现网络通信。

select 和 poll 机制实现 IO 多路复用

首先,我们来了解下 select 机制的编程模型。

不过在具体学习之前,我们需要知道,对于一种 IO 多路复用机制来说,我们需要掌握哪些要点,这样可以帮助我们快速抓住不同机制的联系与区别。其实,当我们学习 IO 多路复用机制时,我们需要能回答以下问题:第一,多路复用机制会监听套接字上的哪些事件?第二,多路复用机制可以监听多少个套接字?第三,当有套接字就绪时,多路复用机制要如何找到就绪的套接字?

select机制

select 机制中的一个重要函数就是 select 函数。对于 select 函数来说,它的参数包括监听的文件描述符数量__nfds、、被监听描述符的三个集合readfds、writefds、exceptfds,以及监听时阻塞等待的超时时长timeout。select函数原型:

int select(int __nfds, fd_set *__readfds, fd_set *__writefds, fd_set *__exceptfds, struct timeval *__timeout)

这里你需要注意的是,Linux 针对每一个套接字都会有一个文件描述符,也就是一个非负整数,用来唯一标识该套接字。在多路复用机制的函数中,通常使用文件描述符作为参数,这是 Linux 的一种常见做法。函数通过文件描述符找到对应的套接字,从而实现监听、读写等操作。

select函数的三个参数指定了需要监视的文件描述符集合,实际上代表了需要监视的套接字集合。那么,为什么会有三个集合呢?

关于刚才提到的第一个问题,即多路复用机制监听的套接字事件有哪些。select 函数使用三个集合,表示监听的三类事件,分别是读数据事件,写数据事件,异常事件。

我们进一步可以看到,参数 readfds、writefds 和 exceptfds 的类型是 fd_set 结构体,它主要定义部分如下所示。其中,fd_mask类型是 long int 类型的别名,__FD_SETSIZE 和 __NFDBITS 这两个宏定义的大小默认为 1024 和 32。

所以,fd_set 结构体的定义,其实就是一个 long int 类型的数组,该数组中一共有 32 个元素(1024/32=32),每个元素是 32 位(long int 类型的大小),而每一位可以用来表示一个文件描述符的状态。了解了 fd_set 结构体的定义,我们就可以回答刚才提出的第二个问题了。每个描述符集合都可以被 select 函数监听 1024 个描述符。

如何使用 select 机制来实现网络通信

首先,我们在调用 select 函数前,可以先创建好传递给 select 函数的描述符集合,然后再创建监听套接字。而为了让创建的监听套接字能被 select 函数监控,我们需要把这个套接字的描述符加入到创建好的描述符集合中。

接下来,我们可以使用 select 函数并传入已创建的描述符集合作为参数。程序在调用 select 函数后,会发生阻塞。一旦 select 函数检测到有就绪的描述符,会立即终止阻塞并返回已就绪的文件描述符数。

那么此时,我们就可以在描述符集合中查找哪些描述符就绪了。然后,我们对已就绪描述符对应的套接字进行处理。比如,如果是 readfds 集合中有描述符就绪,这就表明这些就绪描述符对应的套接字上,有读事件发生,此时,我们就在该套接字上读取数据。

而因为 select 函数一次可以监听 1024 个文件描述符的状态,所以 select 函数在返回时,也可能会一次返回多个就绪的文件描述符。我们可以使用循环处理流程,对每个就绪描述符对应的套接字依次进行读写或异常处理操作。

select函数有两个不足

  • 首先,select 函数对单个进程能监听的文件描述符数量是有限制的,它能监听的文件描述符个数由 __FD_SETSIZE 决定,默认值是 1024。

  • 其次,当 select 函数返回后,我们需要遍历描述符集合,才能找到具体是哪些描述符就绪了。这个遍历过程会产生一定开销,从而降低程序的性能。

poll机制

poll 机制的主要函数是 poll 函数,我们先来看下它的原型定义,如下所示:

int poll(struct pollfd *__fds, nfds_t __nfds, int __timeout)

其中,参数 *__fds 是 pollfd 结构体数组,参数 __nfds 表示的是 *__fds 数组的元素个数,而 __timeout 表示 poll 函数阻塞的超时时间。

pollfd 结构体里包含了要监听的描述符,以及该描述符上要监听的事件类型。从 pollfd 结构体的定义中,我们可以看出来这一点,具体如下所示。pollfd 结构体中包含了三个成员变量 fd、events 和 revents,分别表示要监听的文件描述符、要监听的事件类型和实际发生的事件类型。

pollfd 结构体中要监听和实际发生的事件类型,是通过以下三个宏定义来表示的,分别是 POLLRDNORM、POLLWRNORM 和 POLLERR,它们分别表示可读、可写和错误事件。

了解了 poll 函数的参数后,我们来看下如何使用 poll 函数完成网络通信。这个流程主要可以分成三步:

  • 第一步,创建 pollfd 数组和监听套接字,并进行绑定;

  • 第二步,将监听套接字加入 pollfd 数组,并设置其监听读事件,也就是客户端的连接请求;

  • 第三步,循环调用 poll 函数,检测 pollfd 数组中是否有就绪的文件描述符。

而在第三步的循环过程中,其处理逻辑又分成了两种情况:

  • 如果是连接套接字就绪,这表明是有客户端连接,我们可以调用 accept 接受连接,并创建已连接套接字,并将其加入 pollfd 数组,并监听读事件;

  • 如果是已连接套接字就绪,这表明客户端有读写请求,我们可以调用 recv/send 函数处理读写请求。

其实,和 select 函数相比,poll 函数的改进之处主要就在于,它允许一次监听超过 1024 个文件描述符。但是当调用了 poll 函数后,我们仍然需要遍历每个文件描述符,检测该描述符是否就绪,然后再进行处理。

epoll机制

首先,epoll 机制是使用 epoll_event 结构体,来记录待监听的文件描述符及其监听的事件类型的,这和 poll 机制中使用 pollfd 结构体比较类似。

那么,对于 epoll_event 结构体来说,其中包含了 epoll_data_t 联合体变量,以及整数类型的 events 变量。epoll_data_t 联合体中有记录文件描述符的成员变量 fd,而 events 变量会取值使用不同的宏定义值,来表示 epoll_data_t 变量中的文件描述符所关注的事件类型,比如一些常见的事件类型包括以下这几种。

  • EPOLLIN:读事件,表示文件描述符对应套接字有数据可读。

  • EPOLLOUT:写事件,表示文件描述符对应套接字有数据要写。

  • EPOLLERR:错误事件,表示文件描述符对于套接字出错。

在使用 select 或 poll 函数的时候,创建好文件描述符集合或 pollfd 数组后,就可以往数组中添加我们需要监听的文件描述符。

但是对于 epoll 机制来说,我们则需要先调用 epoll_create 函数,创建一个 epoll 实例。这个 epoll 实例内部维护了两个结构,分别是记录要监听的文件描述符和已经就绪的文件描述符,,而对于已经就绪的文件描述符来说,它们会被返回给用户程序进行处理。

所以,我们在使用 epoll 机制时,就不用像使用 select 和 poll 一样,遍历查询哪些文件描述符已经就绪了。因此,epoll 的效率比 select 和 poll 更高。

在创建了 epoll 实例后,我们需要再使用 epoll_ctl 函数,给被监听的文件描述符添加监听事件类型,以及使用 epoll_wait 函数获取就绪的文件描述符。

了解了 epoll 函数的使用方法了。实际上,也正是因为 epoll 能自定义监听的描述符数量,以及可以直接返回就绪的描述符,Redis 在设计和实现网络通信框架时,就基于 epoll 机制中的 epoll_create、epoll_ctl 和 epoll_wait 等函数和读写事件,进行了封装开发,实现了用于网络通信的事件驱动框架,从而使得 Redis 虽然是单线程运行,但是仍然能高效应对高并发的客户端访问。

Reactor 模型的工作机制

Reactor 模型就是网络服务器端用来处理高并发网络 IO 请求的一种编程模型,模型特征:

  • 三类处理事件,即连接事件、写事件、读事件;

  • 三个关键角色,即 reactor、acceptor、handler。

Reactor 模型处理的是客户端和服务器端的交互过程,而这三类事件正好对应了客户端和服务器端交互过程中,不同类请求在服务器端引发的待处理事件:

  • 当一个客户端要和服务器端进行交互时,客户端会向服务器端发送连接请求,以建立连接,这就对应了服务器端的一个链接事件

  • 一旦连接建立后,客户端会给服务器端发送读请求,以便读取数据。服务器端在处理读请求时,需要向客户端写回数据,这对应了服务器端的写事件

  • 无论客户端给服务器端发送读或写请求,服务器端都需要从客户端读取请求内容,所以在这里,读或写请求的读取就对应了服务器端的读事件

三个关键角色:

  • 首先,连接事件由 acceptor 来处理,负责接收连接;acceptor 在接收连接后,会创建 handler,用于网络连接上对后续读写事件的处理;

  • 其次,读写事件由 handler 处理;

  • 最后,在高并发场景中,连接事件、读写事件会同时发生,所以,我们需要有一个角色专门监听和分配事件,这就是 reactor 角色。当有连接请求时,reactor 将产生的连接事件交由 acceptor 处理;当有读写请求时,reactor 将读写事件交由 handler 处理。

那么,现在我们已经知道,这三个角色是围绕事件的监听、转发和处理来进行交互的,那么在编程时,我们又该如何实现这三者的交互呢?这就离不开事件驱动。

实现 Reactor 模型时,需要编写的总体代码控制逻辑,被称为事件驱动框架。事件驱动框架由两个部分组成:事件初始化和事件捕获、分流及处理的主循环。简而言之。

事件初始化是在服务器程序启动时就执行的,它的作用主要是创建需要监听的事件类型,以及该类事件对应的 handler。而一旦服务器完成初始化后,事件初始化也就相应完成了,服务器程序就需要进入到事件捕获、分发和处理的主循环中。

用while循环来作为这个主循环。然后在这个主循环中,我们需要捕获发生的事件、判断事件类型,并根据事件类型,调用在初始化时创建好的事件 handler 来实际处理事件。

比如说,当有连接事件发生时,服务器程序需要调用 acceptor 处理函数,创建和客户端的连接。而当有读事件发生时,就表明有读或写请求发送到了服务器端,服务器程序就要调用具体的请求处理函数,从客户端连接中读取请求内容,进而就完成了读事件的处理。

Reactor 模型的基本工作机制:客户端的不同类请求会在服务器端触发连接、读、写三类事件,这三类事件的监听、分发和处理又是由 reactor、acceptor、handler 三类角色来完成的,然后这三类角色会通过事件驱动框架来实现交互和事件处理。

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