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Redis事件机制

核心思想：单线程为何如此高效？—— 事件驱动模型

Redis的惊人性能，尤其是在6.0版本之前的单线程模型下，主要归功于其高效的事件驱动机制。Redis的网络IO和命令读写由单个主线程处理，但这并不意味着它一次只能处理一个客户端。其核心是利用了I/O多路复用技术，使得单个线程能并发处理成千上万个网络连接，避免了在等待IO时造成的CPU资源浪费。

Redis自己实现了一个简洁的事件库ae_event，它主要处理两类事件：

  1. 文件事件 (File Event)：处理网络IO，是性能的关键。
  2. 时间事件 (Time Event)：处理定时任务，如周期性的serverCron。

整个机制的核心是事件循环 (Event Loop)，由aeEventLoop对象管理，它不断地循环处理已就绪的文件事件和已到期的时间事件。

一、 文件事件 (File Event) - 网络IO的核心

文件事件是Redis对套接字（Socket）操作的抽象。当一个套接字可读、可写或出现错误时，就会产生一个文件事件。

1. Reactor设计模式

Redis的文件事件处理器是基于Reactor模式实现的，其主要组件包括：

  • 套接字 (Sockets)：包括监听套接字和客户端连接套接字。
  • I/O多路复用程序：封装了epoll、kqueue、select等系统调用。它能同时监听多个套接字，并将产生事件的套接字放入一个就绪队列。这是实现并发的关键。
  • 文件事件分派器 (Dispatcher)：从就绪队列中取出套接字，根据事件类型（读/写）调用对应的事件处理器。
  • 事件处理器 (Handlers)：具体的业务逻辑代码，如接受新连接（accept）、读取命令（read）、发送响应（write）等。

2. IO多路复用模型（以epoll为例）

这个模型可以类比于医院的分诊台：

  • Redis主线程：就像一位专家医生，负责核心的诊断和治疗（处理命令）。
  • Linux内核的epoll：就像分诊台。它负责处理所有“杂事”，如监听所有病人（客户端连接）的到来、测温、登记（监听连接请求和数据请求）。
  • 事件队列：就像分诊台前的排队队列。
  • 回调机制：分诊台处理完一个病人后，会通知医生，并把病历交给医生。同样，epoll监听到事件后，会将事件放入队列，并触发Redis注册的回调函数。

工作流程： 1. Redis主线程将所有需要监听的套接字（FDs）通过epoll_ctl注册到内核的epoll实例中。 2. 主线程调用epoll_wait，阻塞在这里等待事件发生。此时主线程不消耗CPU。 3. 当某个或某些套接字上有事件发生时（如新连接、数据到达），epoll_wait被唤醒并返回就绪的事件列表。 4. 主线程遍历就绪事件列表，根据事件类型调用预先注册好的回调函数进行处理。 5. 处理完所有就绪事件后，再次循环调用epoll_wait，等待下一批事件。

这样，Redis主线程永远在处理“已就绪”的事件，从不空等，从而实现了单线程处理高并发IO。

二、 时间事件 (Time Event) - 定时任务

时间事件用于处理定时或周期性的任务。

  • 分类：
    • 定时事件：在指定时间后执行一次，然后删除。
    • 周期性事件：每隔指定时间就执行一次。通过事件处理器的返回值来决定是否重复（返回AE_NOMORE则为定时事件）。
  • 实现：
    • 所有时间事件被存放在一个无序链表中。
    • 每次事件循环时，程序会遍历此链表，检查是否有事件已到期，并执行其处理器。
    • 由于Redis中的时间事件非常少（正常模式下只有serverCron），所以遍历链表的性能开销可以忽略不计。

三、 aeEventLoop 的具体实现流程

  1. 创建事件管理器 (aeCreateEventLoop)

    • 在服务器初始化时调用，创建一个aeEventLoop对象。
    • 初始化文件事件表（events数组，按fd索引）和就绪事件表（fired数组）。
    • 初始化时间事件链表（timeEventHead指针）。
    • 调用aeApiCreate，在底层创建epoll实例（epoll_create），并将其与事件循环关联。

  2. 创建/注册文件事件 (aeCreateFileEvent)

    • 当需要监听某个套接字fd的读/写事件时调用此函数。
    • 函数内部调用aeApiAddEvent，最终通过epoll_ctl系统调用将fd和关心的事件（EPOLLIN/EPOLLOUT）注册到内核的epoll实例中。
    • 同时，将事件的回调函数（Handler）和私有数据（clientData）保存在events数组中对应的fd位置。

  3. 事件处理循环 (aeProcessEvents) 这是事件循环的核心，在一个while循环中被反复调用。

    1. 计算超时时间：遍历时间事件链表，找出最快到期的那个事件，计算出距离现在还有多久。这个时间将作为epoll_wait的超时参数。
    2. 等待IO事件：调用aeApiPoll（内部调用epoll_wait），阻塞等待文件事件的发生，最大阻塞时间就是上一步计算出的超时时间。
    3. 处理文件事件：
      • epoll_wait返回后，aeApiPoll会将所有就绪的事件（fd和事件类型）填充到fired就绪事件表中。
      • 事件分派器遍历fired表，根据fd在events表中找到对应的回调函数，并执行它。
    4. 处理时间事件：
      • 调用processTimeEvents函数，再次遍历时间事件链表。
      • 执行所有已经到期的时间事件处理器。
      • 根据处理器返回值，更新周期性事件的下一次执行时间，或标记一次性事件为待删除。

  4. 删除事件 (aeDeleteEventLoop)

    • 当不再需要监听某个事件时，调用此函数。
    • 它会通过epoll_ctl从内核的epoll实例中移除对该事件的监听。

总结表

组件/概念 核心作用 实现细节
aeEventLoop 事件循环核心，调度文件事件和时间事件。 包含文件事件表、就绪事件表、时间事件链表。
文件事件 处理网络IO，实现高并发。 基于Reactor模式，对socket操作的抽象。
时间事件 处理定时/周期性任务。 无序链表存储，通过遍历检查是否到期。
I/O多路复用 并发基础，允许单线程同时监听多个IO流。 封装epoll等系统调用，由aeApiPoll中的epoll_wait实现阻塞等待。
文件事件分派器 任务分发，根据就绪事件类型调用相应处理器。 遍历fired就绪事件表，并执行events表中注册的回调函数。
aeProcessEvents 单次循环的主体，驱动整个事件处理流程。 顺序执行：计算超时 -> 等待IO -> 处理文件事件 -> 处理时间事件。