Redis设计与实现之服务器与客户端

目录

一、服务器与客户端
1、初始化服务器
1. 初始化服务器全局状态
2. 载入配置文件
3. 创建 daemon 进程
4. 初始化服务器功能模块
5. 载入数据
6. 开始事件循环
2、 客户端连接到服务器
3、命令的请求、处理和结果返回
4、命令请求实例:SET 的执行过程
5、Redis服务器是否已运行特定的复制或集群配置？
二、小结


一、服务器与客户端
前面的章节介绍了所有 Redis 的重要功能组件:数据结构、数据类型、事务、Lua 环境、事件 处理、数据库、持久化，等等，但是我们还没有对 Redis 服务器本身做任何介绍。
不过，服务器本身并没有多少需要介绍的新东西，因为服务器除了维持服务器状态之外，最重 要的就是将前面介绍过的各个功能模块组合起来，而这些功能模块在前面的章节里已经介绍过 了，所以本章将焦点放在服务器的初始化过程，以及服务器对命令的处理过程上。
本章首先介绍服务器的初始化操作，观察一个 Redis 服务器从启动到可以接受客户端连接，需要经过什么步骤。 然后介绍客户端是如何连接到服务器的，而服务器又是如何维持多个客户端的不同状态的。 文章最后将介绍命令从发送到处理的整个过程，并列举了一个 SET 命令的执行过程作为例子。
1、初始化服务器
从启动 Redis 服务器，到服务器可以接受外来客户端的网络连接这段时间，Redis 需要执行一系列初始化操作。 整个初始化过程可以分为以下六个步骤:
1. 初始化服务器全局状态。
2. 载入配置文件。 3. 创建 daemon 进程。 4. 初始化服务器功能模块。
5. 载入数据。
6. 开始事件循环。 以下各个小节将介绍 Redis 服务器初始化的各个步骤。
1. 初始化服务器全局状态
redis.h/redisServer 结构记录了和服务器相关的所有数据，这个结构主要包含以下信息:
服务器中的所有数据库。 命令表:在执行命令时，根据字符来查找相应命令的实现函数。 事件状态。 服务器的网络连接信息:套接字地址、端口，以及套接字描述符。 所有已连接客户端的信息。 Lua 脚本的运行环境及相关选项。 实现订阅与发布(pub/sub)功能所需的数据结构。 日志(log)和慢查询日志(slowlog)的选项和相关信息。 数据持久化(AOF 和 RDB)的配置和状态。 服务器配置选项:比如要创建多少个数据库，是否将服务器进程作为 daemon 进程来运 行，最大连接多少个客户端，压缩结构(zip structure)的实体数量，等等。 统计信息:比如键有多少次命令、不命中，服务器的运行时间，内存占用，等等。 Note: 为了简洁起见，上面只列出了单机情况下的 Redis 服务器信息，不包含 SENTINEL 、 MONITOR 、CLUSTER 等功能的信息。 在这一步，程序创建一个 redisServer 结构的实例变量 server 用作服务器的全局状态，并将 server 的各个属性初始化为默认值。
当 server 变量的初始化完成之后，程序进入服务器初始化的下一步:读入配置文件。
2. 载入配置文件
在初始化服务器的上一步中，程序为 server 变量(也即是服务器状态)的各个属性设置了默认值，但这些默认值有时候并不是最合适的: • 用户可能想使用 AOF 持久化，而不是默认的 RDB 持久化。 • 用户可能想用其他端口来运行 Redis ，以避免端口冲突。 • 用户可能不想使用默认的 16 个数据库，而是分配更多或更少数量的数据库。
• 用户可能想对默认的内存限制措施和回收策略做调整。
等等。
为了让使用者按自己的要求配置服务器，Redis 允许用户在运行服务器时，提供相应的配置文 件(config file)或者显式的选项(option)，Redis 在初始化完 server 变量之后，会读入配置 文件和选项，然后根据这些配置来对 server 变量的属性值做相应的修改:
如果单纯执行 redis-server 命令，那么服务器以默认的配置来运行 Redis 。 另一方面，如果给 Redis 服务器送入一个配置文件，那么 Redis 将按配置文件的设置来更新服务器的状态。比如说，通过命令 redis-server /etc/my-redis.conf ，Redis 会根据 my-redis.conf 文件的内容来对服务器状态做相应的修改。 除此之外，还可以显式地给服务器传入选项，直接修改服务器配置。 举个例子，通过命令 redis-server --port 10086 ，可以让 Redis 服务器端口变更为10086 。 当然，同时使用配置文件和显式选项也是可以的，如果文件和选项有冲突的地方，那么优 先使用选项所指定的配置值。 举个例子，如果运行命令 redis-server /etc/my-redis.conf --port 10086 ，并且 my-redis.conf 也指定了 port 选项，那么服务器将优先使用 --port 10086 (实际上是 选项指定的值覆盖了配置文件中的值)。
3. 创建 daemon 进程
Redis 默认以 daemon 进程的方式运行。当服务器初始化进行到这一步时，程序将创建 daemon 进程来运行 Redis ，并创建相应的 pid 文件。

4. 初始化服务器功能模块
在这一步，初始化程序完成两件事: • 为server变量的数据结构子属性分配内存。 • 初始化这些数据结构。为数据结构分配内存，并初始化这些数据结构，等同于对相应的功能进行初始化。比如说，当为订阅与发布所需的链表分配内存之后，订阅与发布功能就处于就绪状态，随时可 以为 Redis 所用了。在这一步，程序完成的主要动作如下: • 初始化 Redis 进程的信号功能。 • 初始化日志功能。 • 初始化客户端功能。
• 初始化共享对象。 • 初始化事件功能。 • 初始化数据库。 • 初始化网络连接。 • 初始化订阅与发布功能。 • 初始化各个统计变量。 • 关联服务器常规操作(cron job)到时间事件，关联客户端应答处理器到文件事件。
• 如果 AOF 功能已打开，那么打开或创建 AOF 文件。
• 设置内存限制。 • 初始化 Lua 脚本环境。 • 初始化慢查询功能。 • 初始化后台操作线程。
完成这一步之后，服务器打印出 Redis 的 ASCII LOGO 、服务器版本等信息，表示所有功能 模块已经就绪，可以等待被使用了:
虽然所有功能已经就绪，但这时服务器的数据库还是一片空白，程序还需要将服务器上一次执 行时记录的数据载入到当前服务器中，服务器的初始化才算真正完成。
5. 载入数据
在这一步，程序需要将持久化在 RDB 或者 AOF 文件里的数据，载入到服务器进程里面。
如果服务器有启用 AOF 功能的话，那么使用 AOF 文件来还原数据;否则，程序使用 RDB 文 件来还原数据。当执行完这一步时，服务器打印出一段载入完成信息:
[6717] 22 Feb 11:59:14.830 * DB loaded from disk: 0.068 seconds

6. 开始事件循环
到了这一步，服务器的初始化已经完成，程序打开事件循环，开始接受客户端连接。 以下是服务器在这一步打印的信息:
[6717] 22 Feb 11:59:14.830 * The server is now ready to accept connections on port 6379
 以下是初始化完成之后，服务器状态和各个模块之间的关系图:
 
2、 客户端连接到服务器
当 Redis 服务器完成初始化之后，它就准备好可以接受外来客户端的连接了。 当一个客户端通过套接字函数 connect 到服务器时，服务器执行以下步骤:
1. 服务器通过文件事件无阻塞地accept客户端连接，并返回一个套接字描述符fd。
服务器为fd创建一个对应的redis.h/redisClient结构实例，并将该实例加入到服务 器的已连接客户端的链表中。 服务器在事件处理器为该fd关联读文件事件。
完成这三步之后，服务器就可以等待客户端发来命令请求了。 Redis 以多路复用的方式来处理多个客户端，为了让多个客户端之间独立分开、不互相干扰，
服务器为每个已连接客户端维持一个 redisClient 结构，从而单独保存该客户端的状态信息。 redisClient 结构主要包含以下信息:
套接字描述符。 客户端正在使用的数据库指针和数据库号码。 客户端的查询缓存(query buffer)和回复缓存(reply buffer)。 一个指向命令函数的指针，以及字符串形式的命令、命令参数和命令个数，这些属性会在 命令执行时使用。 客户端状态:记录了客户端是否处于 SLAVE 、MONITOR 或者事务状态。 实现事务功能(比如 MULTI 和 WATCH)所需的数据结构。 实现阻塞功能(比如 BLPOP 和 BRPOPLPUSH)所需的数据结构。 实现订阅与发布功能(比如 PUBLISH 和 SUBSCRIBE)所需的数据结构。 统计数据和选项:客户端创建的时间，客户端和服务器最后交互的时间，缓存的大小，等 等。 Note: 为了简洁起见，上面列出的客户端结构信息不包含复制(replication)的相关属性。

3、命令的请求、处理和结果返回
 当客户端连上服务器之后，客户端就可以向服务器发送命令请求了。 从客户端发送命令请求，到命令被服务器处理、并将结果返回客户端，整个过程有以下步骤:
客户端通过套接字向服务器传送命令协议数据。 服务器通过读事件来处理传入数据，并将数据保存在客户端对应redisClient结构的查询缓存中。 根据客户端查询缓存中的内容，程序从命令表中查找相应命令的实现函数。 程序执行命令的实现函数，修改服务器的全局状态server变量，并将命令的执行结果保 存到客户端 redisClient 结构的回复缓存中，然后为该客户端的 fd 关联写事件。 当客户端fd的写事件就绪时，将回复缓存中的命令结果传回给客户端。至此，命令执行 完毕。
4、命令请求实例:SET 的执行过程
为了更直观地理解命令执行的整个过程，我们用一个实际执行 SET 命令的例子来讲解命令执行的过程。
假设现在客户端 C1 是连接到服务器 S 的一个客户端，当用户执行命令 SET YEAR 2013 时，客 户端调用写入函数，将协议内容 *3\r\n$3\r\nSET\r\n$4\r\nYEAR\r\n$4\r\n2013\r\n" 写 入连接到服务器的套接字中。
当 S 的文件事件处理器执行时，它会察觉到 C1 所对应的读事件已经就绪，于是它将协议文本 读入，并保存在查询缓存。
通过对查询缓存进行分析(parse)，服务器在命令表中查找 SET 字符串所对应的命令实现函数， 最终定位到 t_string.c/setCommand 函数，另外，两个命令参数 YEAR 和 2013 也会以字符串 的形式保存在客户端结构中。
接着，程序将客户端、要执行的命令、命令参数等送入命令执行器:执行器调用 setCommand 函数，将数据库中 YEAR 键的值修改为 2013 ，然后将命令的执行结果保存在客户端的回复缓存 中，并为客户端 fd 关联写事件，用于将结果回写给客户端。
因为 YEAR 键的修改，其他和数据库命名空间相关程序，比如 AOF 、REPLICATION 还有事 务安全性检查(是否修改了被 WATCH 监视的键?)也会被触发，当这些后续程序也执行完毕之 后，命令执行器退出，服务器其他程序(比如时间事件处理器)继续运行。
当 C1 对应的写事件就绪时，程序就会将保存在客户端结构回复缓存中的数据回写给客户端， 当客户端接收到数据之后，它就将结果打印出来，显示给用户看。
以上就是 SET YEAR 2013 命令执行的整个过程。
5、Redis服务器是否已运行特定的复制或集群配置？
要确定Redis服务器是否已运行特定的复制或集群配置，可以使用以下命令之一：
对于复制： redis-cli info replication
此命令将返回Redis服务器的复制信息。如果服务器配置为主服务器，则会显示主服务器的连接信息和从服务器的数量。如果服务器配置为从服务器，则会显示其连接到的主服务器信息。 对于集群： redis-cli cluster info
此命令将返回Redis集群的信息。如果服务器正在运行一个集群，则会显示集群的状态和节点信息。
请注意，这些命令需要Redis客户端（如redis-cli）与Redis服务器建立连接才能运行。

二、小结
服务器经过初始化之后，才能开始接受命令。服务器初始化可以分为六个步骤:
        1. 初始化服务器全局状态。
        2. 载入配置文件。
        3. 创建 daemon 进程。         4. 初始化服务器功能模块。
        5. 载入数据。
        6. 开始事件循环。
服务器为每个已连接的客户端维持一个客户端结构，这个结构保存了这个客户端的所有 状态信息。 客户端向服务器发送命令，服务器接受命令然后将命令传给命令执行器，执行器执行给 定命令的实现函数，执行完成之后，将结果保存在缓存，最后回传给客户端。