从Redis到KeyDB：实现高可用和高可扩展性的转变

今天给大家介绍的是KeyDB，KeyDB项目是从redis fork出来的分支。众所周知redis是一个单线程的kv内存存储系统，而KeyDB在100%兼容redis API的情况下将redis改造成多线程。

项目地址是 https://github.com/EQ-Alpha/KeyDB

KeyDB是一个开源的高性能内存数据库，它是Redis的一个分支，并提供了Redis的兼容性。KeyDB在设计上注重了高性能、高可靠性和高可扩展性，并在多核CPU上表现良好。KeyDB还提供了一些新的特性，例如线程化命令处理、自动化重分片和自动化故障转移等。KeyDB可以作为缓存或者数据库使用，可以存储键值对、列表、集合等数据类型，并支持丰富的命令操作。

特点

KeyDB是一个高性能、内存数据库，是Redis的一个分支，其开发初衷是为了提供比Redis更高的性能和可扩展性。KeyDB基于Redis的代码库，并保留了大部分Redis的命令和API，同时增加了一些新的特性。

KeyDB的主要特点如下：

高性能：KeyDB使用多线程技术来实现命令处理，可以利用多核CPU资源，显著提升处理速度。KeyDB还提供了自动化重分片和自动化故障转移等机制，使得KeyDB可以支持更大规模的数据存储和访问。此外，KeyDB还针对网络IO、内存管理等方面进行了优化，进一步提升了性能。
高可靠性：KeyDB支持主从复制、故障转移等机制，可以保证数据的高可用性。当主节点出现故障时，KeyDB会自动将从节点提升为主节点，确保数据的持久性和可靠性。
高可扩展性：KeyDB可以通过自动化重分片和自动化故障转移等机制来支持更大规模的数据存储和访问。KeyDB还提供了水平扩展和垂直扩展的方案，使得系统可以根据实际需要灵活地扩展。
兼容Redis：KeyDB基于Redis的代码库，保留了大部分Redis的命令和API，因此可以无缝地与Redis进行兼容。此外，KeyDB还提供了一些新的命令和特性，例如SCAN命令、HASH键的自动重分片等。

总之，KeyDB是一个性能优异、可靠性高、可扩展性强的内存数据库，可以作为缓存或者数据库使用，适用于各种数据存储和访问场景。

线程模型

KeyDB将redis原来的主线程拆分成了主线程和worker线程。每个worker线程都是io线程，负责监听端口，accept请求，读取数据和解析协议。如图所示：

KeyDB使用了SO_REUSEPORT特性，多个线程可以绑定监听同个端口。

每个worker线程做了cpu绑核，读取数据也使用了SO_INCOMING_CPU特性，指定cpu接收数据。

解析协议之后每个线程都会去操作内存中的数据，由一把全局锁来控制多线程访问内存数据。

主线程其实也是一个worker线程，包括了worker线程的工作内容，同时也包括只有主线程才可以完成的工作内容。在worker线程数组中下标为0的就是主线程。

主线程的主要工作在实现serverCron，包括：

处理统计
客户端链接管理
db数据的resize和reshard
处理aof
replication主备同步
cluster模式下的任务

链接管理

在redis中所有链接管理都是在一个线程中完成的。在KeyDB的设计中，每个worker线程负责一组链接，所有的链接插入到本线程的链接列表中维护。链接的产生、工作、销毁必须在同个线程中。每个链接新增一个字段

int iel; /* the event loop index we're registered with */

用来表示链接属于哪个线程接管。

KeyDB维护了三个关键的数据结构做链接管理：

clients_pending_write：线程专属的链表，维护同步给客户链接发送数据的队列
clients_pending_asyncwrite：线程专属的链表，维护异步给客户链接发送数据的队列
clients_to_close：全局链表，维护需要异步关闭的客户链接

分成同步和异步两个队列，是因为redis有些联动api，比如pub/sub，pub之后需要给sub的客户端发送消息，pub执行的线程和sub的客户端所在线程不是同一个线程，为了处理这种情况，KeyDB将需要给非本线程的客户端发送数据维护在异步队列中。

同步发送的逻辑比较简单，都是在本线程中完成，以下图来说明如何同步给客户端发送数据：

如上文所提到的，一个链接的创建、接收数据、发送数据、释放链接都必须在同个线程执行。异步发送涉及到两个线程之间的交互。KeyDB通过管道在两个线程中传递消息：

本地线程需要异步发送数据时，先检查client是否属于本地线程，非本地线程获取到client专属的线程ID，之后给专属的线程管到发送AE_ASYNC_OP::CreateFileEvent的操作，要求添加写socket事件。专属线程在处理管道消息时将对应的请求添加到写事件中，如图所示：

redis有些关闭客户端的请求并非完全是在链接所在的线程执行关闭，所以在这里维护了一个全局的异步关闭链表。

锁机制

KeyDB实现了一套类似spinlock的锁机制，称之为fastlock。

fastlock的主要数据结构有：

int fdCmdWrite; //写管道
int fdCmdRead; //读管道

使用原子操作__atomic_load_2，__atomic_fetch_add，__atomic_compare_exchange来通过比较m_active=m_avail判断是否可以获取锁。

fastlock提供了两种获取锁的方式：

try_lock：一次获取失败，直接返回
lock：忙等，每1024 * 1024次忙等后使用sched_yield 主动交出cpu，挪到cpu的任务末尾等待执行。

在KeyDB中将try_lock和事件结合起来，来避免忙等的情况发生。每个客户端有一个专属的lock，在读取客户端数据之前会先尝试加锁，如果失败，则退出，因为数据还未读取，所以在下个epoll_wait处理事件循环中可以再次处理。

Active-Replica

KeyDB实现了多活的机制，每个replica可设置成可写非只读，replica之间互相同步数据。主要特性有：

每个replica有个uuid标志，用来去除环形复制
新增加rreplay API，将增量命令打包成rreplay命令，带上本地的uuid
key，value加上时间戳版本号，作为冲突校验，如果本地有相同的key且时间戳版本号大于同步过来的数据，新写入失败。采用当前时间戳向左移20位，再加上后44位自增的方式来获取key的时间戳版本号。