Redis 命令执行过程(下)

在上一篇文章中《Redis 命令执行过程(上)》中,我们首先了解 Redis 命令执行的整体流程,然后细致分析了从 Redis 启动到建立 socket 连接,再到读取 socket 数据到输入缓冲区,解析命令,执行命令等过程的原理和实现细节。接下来,我们来具体看一下 set 和 get 命令的实现细节和如何将命令结果通过输出缓冲区和 socket 发送给 Redis 客户端。

set 和 get 命令具体实现

前文讲到 processCommand 方法会从输入缓冲区中解析出对应的 redisCommand,然后调用 call 方法执行解析出来的 redisCommand的 proc 方法。不同命令的的 proc 方法是不同的,比如说名为 set 的 redisCommand 的 proc 是 setCommand 方法,而 get 的则是 getCommand 方法。通过这种形式,实际上实现在Java 中特别常见的多态策略。

void call(client *c, int flags) {
    ....
    c->cmd->proc(c);
    ....
}
// redisCommand结构体
struct redisCommand {
    char *name;
    // 对应方法的函数范式
    redisCommandProc *proc;
    .... // 其他定义
};
// 使用 typedef 定义的别名
typedef void redisCommandProc(client *c);
// 不同的命令,调用不同的方法。
struct redisCommand redisCommandTable[] = {
    {"get",getCommand,2,"rF",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"set",setCommand,-3,"wm",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"hmset",hsetCommand,-4,"wmF",0,NULL,1,1,1,0,0},
    .... // 所有的 redis 命令都有
}

setCommand 会判断set命令是否携带了nx、xx、ex或者px等可选参数,然后调用setGenericCommand命令。我们直接来看 setGenericCommand 方法。

setGenericCommand 方法的处理逻辑如下所示:

  • 首先判断 set 的类型是 set_nx 还是 set_xx,如果是 nx 并且 key 已经存在则直接返回;如果是 xx 并且 key 不存在则直接返回。
  • 调用 setKey 方法将键值添加到对应的 Redis 数据库中。
  • 如果有过期时间,则调用 setExpire 将设置过期时间
  • 进行键空间通知
  • 返回对应的值给客户端。
// t_string.c 
void setGenericCommand(client *c, int flags, robj *key, robj *val, robj *expire, int unit, robj *ok_reply, robj *abort_reply) {
    long long milliseconds = 0; 
    /**
     * 设置了过期时间;expire是robj类型,获取整数值
     */
    if (expire) {
        if (getLongLongFromObjectOrReply(c, expire, &milliseconds, NULL) != C_OK)
            return;
        if (milliseconds <= 0) {
            addReplyErrorFormat(c,"invalid expire time in %s",c->cmd->name);
            return;
        }
        if (unit == UNIT_SECONDS) milliseconds *= 1000;
    }
    /**
     * NX,key存在时直接返回;XX,key不存在时直接返回
     * lookupKeyWrite 是在对应的数据库中寻找键值是否存在
     */
    if ((flags & OBJ_SET_NX && lookupKeyWrite(c->db,key) != NULL) ||
        (flags & OBJ_SET_XX && lookupKeyWrite(c->db,key) == NULL))
    {
        addReply(c, abort_reply ? abort_reply : shared.nullbulk);
        return;
    }
    /**
     * 添加到数据字典
     */
    setKey(c->db,key,val);
    server.dirty++;
    /**
     * 过期时间添加到过期字典
     */
    if (expire) setExpire(c,c->db,key,mstime()+milliseconds);
    /**
     * 键空间通知
     */
    notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_STRING,"set",key,c->db->id);
    if (expire) notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_GENERIC,
        "expire",key,c->db->id);
    /**
     * 返回值,addReply 在 get 命令时再具体讲解
     */
    addReply(c, ok_reply ? ok_reply : shared.ok);
}

具体 setKey 和 setExpire 的方法实现我们这里就不细讲,其实就是将键值添加到db的 dict 数据哈希表中,将键和过期时间添加到 expires 哈希表中,如下图所示。

接下来看 getCommand 的具体实现,同样的,它底层会调用 getGenericCommand 方法。

getGenericCommand 方法会调用 lookupKeyReadOrReply 来从 dict 数据哈希表中查找对应的 key值。如果找不到,则直接返回 C_OK;如果找到了,则根据值的类型,调用 addReply 或者 addReplyBulk 方法将值添加到输出缓冲区中。

int getGenericCommand(client *c) {
    robj *o;
    // 调用 lookupKeyReadOrReply 从数据字典中查找对应的键
    if ((o = lookupKeyReadOrReply(c,c->argv[1],shared.nullbulk)) == NULL)
        return C_OK;
    // 如果是string类型,调用 addReply 单行返回。如果是其他对象类型,则调用 addReplyBulk
    if (o->type != OBJ_STRING) {
        addReply(c,shared.wrongtypeerr);
        return C_ERR;
    } else {
        addReplyBulk(c,o);
        return C_OK;
    }
}

lookupKeyReadWithFlags 会从 redisDb 中查找对应的键值对,它首先会调用 expireIfNeeded判断键是否过期并且需要删除,如果为过期,则调用 lookupKey 方法从 dict 哈希表中查找并返回。具体解释可以看代码中的详细注释

/*
 * 查找key的读操作,如果key找不到或者已经逻辑上过期返回 NULL,有一些副作用
 *   1 如果key到达过期时间,它会被设备为过期,并且删除
 *   2 更新key的最近访问时间
 *   3 更新全局缓存击中概率
 * flags 有两个值: LOOKUP_NONE 一般都是这个;LOOKUP_NOTOUCH 不修改最近访问时间
 */
robj *lookupKeyReadWithFlags(redisDb *db, robj *key, int flags) { // db.c
    robj *val;
    // 检查键是否过期
    if (expireIfNeeded(db,key) == 1) {
        .... // master和 slave 对这种情况的特殊处理
    }
    // 查找键值字典
    val = lookupKey(db,key,flags);
    // 更新全局缓存命中率
    if (val == NULL)
        server.stat_keyspace_misses++;
    else
        server.stat_keyspace_hits++;
    return val;
}

Redis 在调用查找键值系列方法前都会先调用 expireIfNeeded 来判断键是否过期,然后根据 Redis 是否配置了懒删除来进行同步删除或者异步删除。关于键删除的细节可以查看《详解 Redis 内存管理机制和实现》一文。

在判断键释放过期的逻辑中有两个特殊情况:

  • 如果当前 Redis 是主从结构中的从实例,则只判断键是否过期,不直接对键进行删除,而是要等待主实例发送过来的删除命令后再进行删除。如果当前 Redis 是主实例,则调用 propagateExpire 来传播过期指令。
  • 如果当前正在进行 Lua 脚本执行,因为其原子性和事务性,整个执行过期中时间都按照其开始执行的那一刻计算,也就是说lua执行时未过期的键,在它整个执行过程中也都不会过期。

/*
 * 在调用 lookupKey*系列方法前调用该方法。
 * 如果是slave:
 *  slave 并不主动过期删除key,但是返回值仍然会返回键已经被删除。
 *  master 如果key过期了,会主动删除过期键,并且触发 AOF 和同步操作。
 * 返回值为0表示键仍然有效,否则返回1
 */
int expireIfNeeded(redisDb *db, robj *key) { // db.c
    // 获取键的过期时间
    mstime_t when = getExpire(db,key);
    mstime_t now;

    if (when < 0) return 0;

    /*
     * 如果当前是在执行lua脚本,根据其原子性,整个执行过期中时间都按照其开始执行的那一刻计算
     * 也就是说lua执行时未过期的键,在它整个执行过程中也都不会过期。
     */ 
    now = server.lua_caller ? server.lua_time_start : mstime();

    // slave 直接返回键是否过期
    if (server.masterhost != NULL) return now > when;
    // master时,键未过期直接返回
    if (now <= when) return 0;

    // 键过期,删除键
    server.stat_expiredkeys++;
    // 触发命令传播
    propagateExpire(db,key,server.lazyfree_lazy_expire);
    // 和键空间事件
    notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_EXPIRED,
        "expired",key,db->id);
    // 根据是否懒删除,调用不同的函数 
    return server.lazyfree_lazy_expire ? dbAsyncDelete(db,key) :
                                         dbSyncDelete(db,key);
}

lookupKey 方法则是通过 dictFind 方法从 redisDb 的 dict 哈希表中查找键值,如果能找到,则根据 redis 的 maxmemory_policy 策略来判断是更新 lru 的最近访问时间,还是调用 updateFU 方法更新其他指标,这些指标可以在后续内存不足时对键值进行回收。

robj *lookupKey(redisDb *db, robj *key, int flags) {
    // dictFind 根据 key 获取字典的entry
    dictEntry *de = dictFind(db->dict,key->ptr);
    if (de) {
        // 获取 value
        robj *val = dictGetVal(de);
        // 当处于 rdb aof 子进程复制阶段或者 flags 不是 LOOKUP_NOTOUCH
        if (server.rdb_child_pid == -1 &&
            server.aof_child_pid == -1 &&
            !(flags & LOOKUP_NOTOUCH))
        {
            // 如果是 MAXMEMORY_FLAG_LFU 则进行相应操作
            if (server.maxmemory_policy & MAXMEMORY_FLAG_LFU) {
                updateLFU(val);
            } else {
                // 更新最近访问时间
                val->lru = LRU_CLOCK();
            }
        }
        return val;
    } else {
        return NULL;
    }
}

将命令结果写入输出缓冲区

在所有的 redisCommand 执行的最后,一般都会调用 addReply 方法进行结果返回,我们的分析也来到了 Redis 命令执行的返回数据阶段。

addReply 方法做了两件事情:

  • prepareClientToWrite 判断是否需要返回数据,并且将当前 client 添加到等待写返回数据队列中。
  • 调用 _addReplyToBuffer 和 _addReplyObjectToList 方法将返回值写入到输出缓冲区中,等待写入 socekt。
void addReply(client *c, robj *obj) {
    if (prepareClientToWrite(c) != C_OK) return;
    if (sdsEncodedObject(obj)) {
        // 需要将响应内容添加到output buffer中。总体思路是,先尝试向固定buffer添加,添加失败的话,在尝试添加到响应链表
        if (_addReplyToBuffer(c,obj->ptr,sdslen(obj->ptr)) != C_OK)
            _addReplyObjectToList(c,obj);
    } else if (obj->encoding == OBJ_ENCODING_INT) {
        .... // 特殊情况的优化
    } else {
        serverPanic("Wrong obj->encoding in addReply()");
    }
}

prepareClientToWrite 首先判断了当前 client是否需要返回数据:

  • Lua 脚本执行的 client 则需要返回值;
  • 如果客户端发送来 REPLY OFF 或者 SKIP 命令,则不需要返回值;
  • 如果是主从复制时的主实例 client,则不需要返回值;
  • 当前是在 AOF loading 状态的假 client,则不需要返回值。

接着如果这个 client 还未处于延迟等待写入 (CLIENT_PENDING_WRITE)的状态,则将其设置为该状态,并将其加入到 Redis 的等待写入返回值客户端队列中,也就是 clients_pending_write队列。

int prepareClientToWrite(client *c) {
    // 如果是 lua client 则直接OK
    if (c->flags & (CLIENT_LUA|CLIENT_MODULE)) return C_OK;
    // 客户端发来过 REPLY OFF 或者 SKIP 命令,不需要发送返回值
    if (c->flags & (CLIENT_REPLY_OFF|CLIENT_REPLY_SKIP)) return C_ERR;

    // master 作为client 向 slave 发送命令,不需要接收返回值
    if ((c->flags & CLIENT_MASTER) &&
        !(c->flags & CLIENT_MASTER_FORCE_REPLY)) return C_ERR;
    // AOF loading 时的假client 不需要返回值
    if (c->fd <= 0) return C_ERR; 

    // 将client加入到等待写入返回值队列中,下次事件周期会进行返回值写入。
    if (!clientHasPendingReplies(c) &&
        !(c->flags & CLIENT_PENDING_WRITE) &&
        (c->replstate == REPL_STATE_NONE ||
         (c->replstate == SLAVE_STATE_ONLINE && !c->repl_put_online_on_ack)))
    {
        // 设置标志位并且将client加入到 clients_pending_write 队列中
        c->flags |= CLIENT_PENDING_WRITE;
        listAddNodeHead(server.clients_pending_write,c);
    }
    // 表示已经在排队,进行返回数据
    return C_OK;
}

Redis 将存储等待返回的响应数据的空间,也就是输出缓冲区分成两部分,一个固定大小的 buffer 和一个响应内容数据的链表。在链表为空并且 buffer 有足够空间时,则将响应添加到 buffer 中。如果 buffer 满了则创建一个节点追加到链表上。_addReplyToBuffer 和 _addReplyObjectToList 就是分别向这两个空间写数据的方法。

固定buffer和响应链表,整体上构成了一个队列。这么组织的好处是,既可以节省内存,不需一开始预先分配大块内存,并且可以避免频繁分配、回收内存。

上面就是响应内容写入输出缓冲区的过程,下面看一下将数据从输出缓冲区写入 socket 的过程。

prepareClientToWrite 函数,将客户端加入到了Redis 的等待写入返回值客户端队列中,也就是 clients_pending_write 队列。请求处理的事件处理逻辑就结束了,等待 Redis 下一次事件循环处理时,将响应从输出缓冲区写入到 socket 中。

将命令返回值从输出缓冲区写入 socket

《Redis 事件机制详解》
一文中我们知道,Redis 在两次事件循环之间会调用 beforeSleep 方法处理一些事情,而对 clients_pending_write 列表的处理就在其中。

下面的 aeMain 方法就是 Redis 事件循环的主逻辑,可以看到每次循环时都会调用 beforesleep 方法。

void aeMain(aeEventLoop *eventLoop) { // ae.c
    eventLoop->stop = 0;
    while (!eventLoop->stop) {
        /* 如果有需要在事件处理前执行的函数,那么执行它 */
        if (eventLoop->beforesleep != NULL)
            eventLoop->beforesleep(eventLoop);
        /* 开始处理事件*/
        aeProcessEvents(eventLoop, AE_ALL_EVENTS|AE_CALL_AFTER_SLEEP);
    }
}

beforeSleep 函数会调用 handleClientsWithPendingWrites 函数来处理 clients_pending_write 列表。

handleClientsWithPendingWrites 方法会遍历 clients_pending_write 列表,对于每个 client 都会先调用 writeToClient 方法来尝试将返回数据从输出缓存区写入到 socekt中,如果还未写完,则只能调用 aeCreateFileEvent 方法来注册一个写数据事件处理器 sendReplyToClient,等待 Redis 事件机制的再次调用。

这样的好处时对于返回数据较少的客户端,不需要麻烦的注册写数据事件,等待事件触发再写数据到 socket,而是在下一次事件循环周期就直接将数据写到 socket中,加快了数据返回的响应速度。

但是从这里也会发现,如果 clients_pending_write 队列过长,则处理时间也会很久,阻塞正常的事件响应处理,导致 Redis 后续命令延时增加。

// 直接将返回值写到client的输出缓冲区中,不需要进行系统调用,也不需要注册写事件处理器
int handleClientsWithPendingWrites(void) {
    listIter li;
    listNode *ln;
    // 获取系统延迟写队列的长度
    int processed = listLength(server.clients_pending_write);

    listRewind(server.clients_pending_write,&li);
    // 依次处理
    while((ln = listNext(&li))) {
        client *c = listNodeValue(ln);
        c->flags &= ~CLIENT_PENDING_WRITE;
        listDelNode(server.clients_pending_write,ln);

        // 将缓冲值写入client的socket中,如果写完,则跳过之后的操作。
        if (writeToClient(c->fd,c,0) == C_ERR) continue;

        // 还有数据未写入,只能注册写事件处理器了
        if (clientHasPendingReplies(c)) {
            int ae_flags = AE_WRITABLE;
            if (server.aof_state == AOF_ON &&
                server.aof_fsync == AOF_FSYNC_ALWAYS)
            {
                ae_flags |= AE_BARRIER;
            }
            // 注册写事件处理器 sendReplyToClient,等待执行
            if (aeCreateFileEvent(server.el, c->fd, ae_flags,
                sendReplyToClient, c) == AE_ERR)
            {
                    freeClientAsync(c);
            }
        }
    }
    return processed;
}

sendReplyToClient 方法其实也会调用 writeToClient 方法,该方法就是将输出缓冲区中的 buf 和 reply 列表中的数据都尽可能多的写入到对应的 socket中。

// 将输出缓冲区中的数据写入socket,如果还有数据未处理则返回C_OK
int writeToClient(int fd, client *c, int handler_installed) {
    ssize_t nwritten = 0, totwritten = 0;
    size_t objlen;
    sds o;
    // 仍然有数据未写入
    while(clientHasPendingReplies(c)) {
        // 如果缓冲区有数据
        if (c->bufpos > 0) {
            // 写入到 fd 代表的 socket 中
            nwritten = write(fd,c->buf+c->sentlen,c->bufpos-c->sentlen);
            if (nwritten <= 0) break;
            c->sentlen += nwritten;
            // 统计本次一共输出了多少子节
            totwritten += nwritten;

            // buffer中的数据已经发送,则重置标志位,让响应的后续数据写入buffer
            if ((int)c->sentlen == c->bufpos) {
                c->bufpos = 0;
                c->sentlen = 0;
            }
        } else {
            // 缓冲区没有数据,从reply队列中拿
            o = listNodeValue(listFirst(c->reply));
            objlen = sdslen(o);

            if (objlen == 0) {
                listDelNode(c->reply,listFirst(c->reply));
                continue;
            }
            // 将队列中的数据写入 socket
            nwritten = write(fd, o + c->sentlen, objlen - c->sentlen);
            if (nwritten <= 0) break;
            c->sentlen += nwritten;
            totwritten += nwritten;
            // 如果写入成功,则删除队列
            if (c->sentlen == objlen) {
                listDelNode(c->reply,listFirst(c->reply));
                c->sentlen = 0;
                c->reply_bytes -= objlen;
                if (listLength(c->reply) == 0)
                    serverAssert(c->reply_bytes == 0);
            }
        }
        // 如果输出的字节数量已经超过NET_MAX_WRITES_PER_EVENT限制,break
        if (totwritten > NET_MAX_WRITES_PER_EVENT &&
            (server.maxmemory == 0 ||
             zmalloc_used_memory() < server.maxmemory) &&
            !(c->flags & CLIENT_SLAVE)) break;
    }
    server.stat_net_output_bytes += totwritten;
    if (nwritten == -1) {
        if (errno == EAGAIN) {
            nwritten = 0;
        } else {
            serverLog(LL_VERBOSE,
                "Error writing to client: %s", strerror(errno));
            freeClient(c);
            return C_ERR;
        }
    }
    if (!clientHasPendingReplies(c)) {
        c->sentlen = 0;
        //如果内容已经全部输出,删除事件处理器
        if (handler_installed) aeDeleteFileEvent(server.el,c->fd,AE_WRITABLE);
        // 数据全部返回,则关闭client和连接
        if (c->flags & CLIENT_CLOSE_AFTER_REPLY) {
            freeClient(c);
            return C_ERR;
        }
    }
    return C_OK;
}

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