浅析Redis③：命令处理之数据返回Client(下)

news2024/10/7 18:23:34

写在前面

Redis作为我们日常工作中最常使用的缓存数据库，其重要性不言而喻，作为普通开发者，我们在日常开发中使用Redis，主要聚焦于Redis的基层数据结构的命令使用，很少会有人对Redis的内部实现机制进行了解，对于我而言，也是如此，但一直以来，我对于Redis的内部实现都很好奇，它为什么会如此高效，本系列文章是旨在对Redis源代码分析拆解，通过阅读Redis源代码，了解Redis基础数据结构的实现机制。

关于Redis的源码分析，已经有非常多的大佬写过相关的内容，最为著名的是《Redis设计与实现》，对于Redis源码的分析已经非常出色，本系列文章对于源码拆解时，并不会那么详细，相信大部分读者应该不是从事Redis的二次开发工作，对于源码细节过于深入，会陷入细节的泥潭，这是我在阅读源码时尽量避免的，我尽量做到对大体的脉络进行梳理，讲清楚主干逻辑，细节部分，如果读者有兴趣，可以自行参阅源码或相关资料。

本系列源代码，基于Redis 3.2.6

前言

在上两篇中

浅析Redis①：命令处理核心源码分析(上)

浅析Redis②：命令处理之epoll实现(中)

我们大致了解了Redis客户端命令请求的处理流程，在整个流程中，我们了解了Redis是如何处理来自客户端的命令请求，epoll的执行逻辑，我们还有最后一个问题没有解释，Redis是如何将数据写回Client端的？

本篇我们就围绕第一个问题，寻找答案，继续看Redis客户端命令请求的处理流程。

Redis数据返回Client端流程

Redis在命令处理时，在命令执行的末尾，都会调用一个addReply()，这里我们以最简单的STRING get为例：

t_string.c getGenericCommand()

int getGenericCommand(client *c) {
    robj *o;
	
    // 从字典中查询数据
    if ((o = lookupKeyReadOrReply(c,c->argv[1],shared.nullbulk)) == NULL)
        return C_OK;
	
    // 将数据返回Client
    if (o->type != OBJ_STRING) {
        addReply(c,shared.wrongtypeerr);
        return C_ERR;
    } else {
        addReplyBulk(c,o);
        return C_OK;
    }
}

void addReplyBulk(client *c, robj *obj) {
    addReplyBulkLen(c,obj);
    addReply(c,obj);
    addReply(c,shared.crlf);
}

继续看addReply()的实现：

networking.c addReply()

void addReply(client *c, robj *obj) {
    if (prepareClientToWrite(c) != C_OK) return;

    // 核心，将数据写入内存缓存区，等待后续流程处理，写回Client Socket
    if (sdsEncodedObject(obj)) {
        if (_addReplyToBuffer(c,obj->ptr,sdslen(obj->ptr)) != C_OK)
            _addReplyObjectToList(c,obj);
    } else if (obj->encoding == OBJ_ENCODING_INT) {
        if (listLength(c->reply) == 0 && (sizeof(c->buf) - c->bufpos) >= 32) {
            char buf[32];
            int len;
            len = ll2string(buf,sizeof(buf),(long)obj->ptr);
            if (_addReplyToBuffer(c,buf,len) == C_OK)
                return;
        }
        obj = getDecodedObject(obj);
        if (_addReplyToBuffer(c,obj->ptr,sdslen(obj->ptr)) != C_OK)
            _addReplyObjectToList(c,obj);
        decrRefCount(obj);
    } else {
        serverPanic("Wrong obj->encoding in addReply()");
    }
}

上述流程，是string get命令执行后，数据处理的流程，可以发现，Redis并没有将数据直接返回Client端，而是将数据写入了一个叫做缓冲区的内存区域，那么缓冲区是什么？

Redis的内存缓冲区

在 Redis 中，缓冲区（buffer）是用于存储数据的内存区域。Redis 使用缓冲区来管理数据的读取、写入和传输过程。

Redis 的缓冲区主要有两个方面的应用：

  • 输入缓冲区（Input Buffer）：当 Redis 接收到客户端发送的命令请求时，会先将请求数据存储在输入缓冲区中，然后再进行解析和处理。输入缓冲区用于临时存储从网络或其他输入源接收到的原始数据。
  • 输出缓冲区（Output Buffer）：当 Redis 响应客户端的命令请求时，会先将响应数据存储在输出缓冲区中，然后再发送给客户端。输出缓冲区用于临时存储待发送的数据。

缓冲区在 Redis 中的作用是提高数据的处理效率和性能。通过使用缓冲区，Redis 可以批量读取和写入数据，减少了频繁的系统调用和网络传输开销。此外，缓冲区还可以用于临时存储数据，以便进行数据的加工和处理。

需要注意的是，Redis 缓冲区大小是有限的，它受到配置参数 client-output-buffer-limit 和 client-query-buffer-limit 的影响。

如果缓冲区已满，而输入或输出数据仍在不断到达，则可能导致连接被拒绝或数据丢失。

因此，在高并发或大数据量的场景中，需要根据实际情况调整缓冲区大小以保证系统的稳定性和性能。

OK，命令处理部分流程结束，我们把逻辑拉回到main函数中，聚焦aeMain()：

ae.c aeMain()

void aeMain(aeEventLoop *eventLoop) {
    eventLoop->stop = 0;
    while (!eventLoop->stop) {
        if (eventLoop->beforesleep != NULL)
            eventLoop->beforesleep(eventLoop);
        aeProcessEvents(eventLoop, AE_ALL_EVENTS);
    }
}

在前两篇中，我们介绍过aeMain()，这里使用一个死循环，aeProcessEvents()轮询epoll是否存在就绪的事件，在aeProcessEvents()之前，我们需要关注beforesleep()：

if (eventLoop->beforesleep != NULL)
    eventLoop->beforesleep(eventLoop);

在轮询之前，都会执行beforesleep()，这个函数就是我们要关注的核心，继续看beforesleep()实现：

server.c beforeSleep()

void beforeSleep(struct aeEventLoop *eventLoop) {
....
....    
此处省略部分非核心代码
....  
    
    /* Write the AOF buffer on disk */
    flushAppendOnlyFile(0);

    // 将数据写回Client
    handleClientsWithPendingWrites();
}

networking.c handleClientsWithPendingWrites()

int handleClientsWithPendingWrites(void) {
    listIter li;
    listNode *ln;
    int processed = listLength(server.clients_pending_write);

    listRewind(server.clients_pending_write,&li);
    while((ln = listNext(&li))) {
        ......
        省略部分非核心代码    

        // 核心，将数据通过socket返回Client
        if (writeToClient(c->fd,c,0) == C_ERR) continue;

        // 还有部分数据没有写完，加入epoll，等待异步执行
        if (clientHasPendingReplies(c) &&
            aeCreateFileEvent(server.el, c->fd, AE_WRITABLE,
                sendReplyToClient, c) == AE_ERR)
        {
            // 释放内存
            freeClientAsync(c);
        }
    }
    return processed;
}

上述代码是执行数据返回Client的核心逻辑，可以参见代码注释，令人疑惑的部分是，为什么这段代码中，writeToClient()可能会执行两次？

原因如下：

第一次调用 writeToClient() 是为了尝试向客户端套接字写入数据。这里的目的是将服务器待发送的数据写入到套接字缓冲区中，以便后续通过网络发送给客户端。如果写入成功，则会继续判断该客户端是否还有待发送的数据。

第二次调用 writeToClient() 是在判断客户端是否还有待发送的数据后执行的。如果客户端仍然有待发送的数据，那么说明套接字的发送缓冲区已满，无法一次性将所有数据发送出去。此时，为了确保后续的数据能够被及时发送，需要将该客户端的套接字注册到可写事件上，以便在套接字可写时继续发送剩余的数据。

需要注意的是，第二次调用 writeToClient() 并不会立即执行数据的发送，而是在套接字变为可写时由事件循环机制触发相应的写入操作。

这样可以避免在套接字无法写入数据时出现阻塞的情况，提高服务器的并发性能。

OK，我们继续看writeToClient() 的实现逻辑。

networking.c writeToClient()

int writeToClient(int fd, client *c, int handler_installed) {
    ssize_t nwritten = 0, totwritten = 0;
    size_t objlen;
    size_t objmem;
    robj *o;
	
    // 循环读取内存缓冲区的数据，写回socket，返回Client端
    while(clientHasPendingReplies(c)) {
        if (c->bufpos > 0) {
            // 核心，执行socket写回
            nwritten = write(fd,c->buf+c->sentlen,c->bufpos-c->sentlen);
            if (nwritten <= 0) break;
            c->sentlen += nwritten;
            totwritten += nwritten;

            /* If the buffer was sent, set bufpos to zero to continue with
             * the remainder of the reply. */
            if ((int)c->sentlen == c->bufpos) {
                c->bufpos = 0;
                c->sentlen = 0;
            }
        } else {
            o = listNodeValue(listFirst(c->reply));
            objlen = sdslen(o->ptr);
            objmem = getStringObjectSdsUsedMemory(o);

            if (objlen == 0) {
                listDelNode(c->reply,listFirst(c->reply));
                c->reply_bytes -= objmem;
                continue;
            }

            nwritten = write(fd, ((char*)o->ptr)+c->sentlen,objlen-c->sentlen);
            if (nwritten <= 0) break;
            c->sentlen += nwritten;
            totwritten += nwritten;

            /* If we fully sent the object on head go to the next one */
            if (c->sentlen == objlen) {
                listDelNode(c->reply,listFirst(c->reply));
                c->sentlen = 0;
                c->reply_bytes -= objmem;
            }
        }
            
        .........
    	省略部分非核心代码
    	.........    
    }
    
    .........
    省略部分非核心代码
    .........    
    
    return C_OK;
}

writeToClient()就是核心写入的部分了，这里获取redisClient对象的bufpos，可以理解为缓冲区中的标记位置，如果存在待写入的数据，循环调用系统方法write写入socket的FD中。

write() 函数用于向文件描述符（包括套接字）写入数据。在这段代码中，write() 函数被用于将数据写入到客户端的套接字中，即向客户端发送数据。

就此，Redis将数据返回Client的流程，我们就了解完毕。

老规矩，我们还是用一张流程图来简略描述整个过程：
Redis命令执行结果返回Client流程

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