10 Redis事件驱动框架(中):Redis实现了Reactor模型吗?

今天,我们来聊聊 Redis 是如何实现 Reactor 模型的。

你在做 Redis 面试题的时候,或许经常会遇到这样一道经典的问题:Redis 的网络框架是实现了 Reactor 模型吗?这看起来像是一道简单的“是 / 否”问答题,但是,如果你想给出一个让面试官满意的答案,这就非常考验你的高性能网络编程基础和对 Redis 代码的掌握程度了。

如果让我来作答这道题,我会把它分成两部分来回答:一是介绍 Reactor 模型是什么,二是说明 Redis 代码实现是如何与 Reactor 模型相对应的。这样一来,就既体现了我对网络编程的理解,还能体现对 Redis 源码的深入探究,进而面试官也就会对我刮目相看了。

实际上,Reactor 模型是高性能网络系统实现高并发请求处理的一个重要技术方案。掌握 Reactor 模型的设计思想与实现方法,除了可以应对面试题,还可以指导你设计和实现自己的高并发系统。当你要处理成千上万的网络连接时,就不会一筹莫展了。

所以今天这节课,我会先带你了解下 Reactor 模型,然后一起来学习下如何实现 Reactor 模型。因为 Redis 的代码实现提供了很好的参考示例,所以我会通过 Redis 代码中的关键函数和流程,来给你展开介绍 Reactor 模型的实现。不过在学习 Reactor 模型前,你可以先回顾上节课我给你介绍的 IO 多路复用机制 epoll,因为这也是学习今天这节课的基础。

Reactor 模型的工作机制

好,首先,我们来看看什么是 Reactor 模型。

实际上,Reactor 模型就是网络服务器端用来处理高并发网络 IO 请求的一种编程模型。我把这个模型的特征用两个“三”来总结,也就是:

  • 三类处理事件,即连接事件、写事件、读事件;
  • 三个关键角色,即 reactor、acceptor、handler。

那么,Reactor 模型是如何基于这三类事件和三个角色来处理高并发请求的呢?下面我们就来具体了解下。

事件类型与关键角色

我们先来看看这三类事件和 Reactor 模型的关系。

其实,Reactor 模型处理的是客户端和服务器端的交互过程,而这三类事件正好对应了客户端和服务器端交互过程中,不同类请求在服务器端引发的待处理事件:

  • 当一个客户端要和服务器端进行交互时,客户端会向服务器端发送连接请求,以建立连接,这就对应了服务器端的一个连接事件
  • 一旦连接建立后,客户端会给服务器端发送读请求,以便读取数据。服务器端在处理读请求时,需要向客户端写回数据,这对应了服务器端的写事件
  • 无论客户端给服务器端发送读或写请求,服务器端都需要从客户端读取请求内容,所以在这里,读或写请求的读取就对应了服务器端的读事件

如下所示的图例中,就展示了客户端和服务器端在交互过程中,不同类请求和 Reactor 模型事件的对应关系,你可以看下。

好,在了解了 Reactor 模型的三类事件后,你现在可能还有一个疑问:这三类事件是由谁来处理的呢?

这其实就是模型中三个关键角色的作用了:

  • 首先,连接事件由 acceptor 来处理,负责接收连接;acceptor 在接收连接后,会创建 handler,用于网络连接上对后续读写事件的处理;
  • 其次,读写事件由 handler 处理;
  • 最后,在高并发场景中,连接事件、读写事件会同时发生,所以,我们需要有一个角色专门监听和分配事件,这就是 reactor 角色。当有连接请求时,reactor 将产生的连接事件交由 acceptor 处理;当有读写请求时,reactor 将读写事件交由 handler 处理。

下图就展示了这三个角色之间的关系,以及它们和事件的关系,你可以看下。

事实上,这三个角色都是 Reactor 模型中要实现的功能的抽象。当我们遵循 Reactor 模型开发服务器端的网络框架时,就需要在编程的时候,在代码功能模块中实现 reactor、acceptor 和 handler 的逻辑。

那么,现在我们已经知道,这三个角色是围绕事件的监听、转发和处理来进行交互的,那么在编程时,我们又该如何实现这三者的交互呢?这就离不开事件驱动框架了。

事件驱动框架

所谓的事件驱动框架,就是在实现 Reactor 模型时,需要实现的代码整体控制逻辑。简单来说,事件驱动框架包括了两部分:一是事件初始化;二是事件捕获、分发和处理主循环

事件初始化是在服务器程序启动时就执行的,它的作用主要是创建需要监听的事件类型,以及该类事件对应的 handler。而一旦服务器完成初始化后,事件初始化也就相应完成了,服务器程序就需要进入到事件捕获、分发和处理的主循环中。

在开发代码时,我们通常会用一个 while 循环来作为这个主循环。然后在这个主循环中,我们需要捕获发生的事件、判断事件类型,并根据事件类型,调用在初始化时创建好的事件 handler 来实际处理事件。

比如说,当有连接事件发生时,服务器程序需要调用 acceptor 处理函数,创建和客户端的连接。而当有读事件发生时,就表明有读或写请求发送到了服务器端,服务器程序就要调用具体的请求处理函数,从客户端连接中读取请求内容,进而就完成了读事件的处理。这里你可以参考下面给出的图例,其中显示了事件驱动框架的基本执行过程:

那么到这里,你应该就已经了解了 Reactor 模型的基本工作机制:客户端的不同类请求会在服务器端触发连接、读、写三类事件,这三类事件的监听、分发和处理又是由 reactor、acceptor、handler 三类角色来完成的,然后这三类角色会通过事件驱动框架来实现交互和事件处理。

所以可见,实现一个 Reactor 模型的关键,就是要实现事件驱动框架。那么,如何开发实现一个事件驱动框架呢?

Redis 提供了一个简洁但有效的参考实现,非常值得我们学习,而且也可以用于自己的网络系统开发。下面,我们就一起来学习下 Redis 中对 Reactor 模型的实现。

Redis 对 Reactor 模型的实现

首先我们要知道的是,Redis 的网络框架实现了 Reactor 模型,并且自行开发实现了一个事件驱动框架。这个框架对应的 Redis 代码实现文件是ae.c,对应的头文件是ae.h

前面我们已经知道,事件驱动框架的实现离不开事件的定义,以及事件注册、捕获、分发和处理等一系列操作。当然,对于整个框架来说,还需要能一直运行,持续地响应发生的事件。

那么由此,我们从 ae.h 头文件中就可以看到,Redis 为了实现事件驱动框架,相应地定义了事件的数据结构、框架主循环函数、事件捕获分发函数、事件和 handler 注册函数。所以接下来,我们就依次来了解学习下。

事件的数据结构定义:以 aeFileEvent 为例

首先,我们要明确一点,就是在 Redis 事件驱动框架的实现当中,事件的数据结构是关联事件类型和事件处理函数的关键要素。而 Redis 的事件驱动框架定义了两类事件:IO 事件和时间事件,分别对应了客户端发送的网络请求和 Redis 自身的周期性操作。

这也就是说,不同类型事件的数据结构定义是不一样的。不过,由于这节课我们主要关注的是事件框架的整体设计与实现,所以对于不同类型事件的差异和具体处理,我会在下节课给你详细介绍。那么在今天的课程中,为了让你能够理解事件数据结构对框架的作用,我就以 IO 事件 aeFileEvent 为例,给你介绍下它的数据结构定义。

aeFileEvent 是一个结构体,它定义了 4 个成员变量 mask、rfileProce、wfileProce 和 clientData,如下所示:

typedef struct aeFileEvent {
    int mask; /* one of AE_(READABLE|WRITABLE|BARRIER) */
    aeFileProc *rfileProc;
    aeFileProc *wfileProc;
    void *clientData;
} aeFileEvent;
  • mask 是用来表示事件类型的掩码。对于网络通信的事件来说,主要有 AE_READABLE、AE_WRITABLE 和 AE_BARRIER 三种类型事件。框架在分发事件时,依赖的就是结构体中的事件类型;
  • rfileProc 和 wfileProce 分别是指向 AE_READABLE 和 AE_WRITABLE 这两类事件的处理函数,也就是 Reactor 模型中的 handler。框架在分发事件后,就需要调用结构体中定义的函数进行事件处理;
  • 最后一个成员变量 clientData 是用来指向客户端私有数据的指针。

除了事件的数据结构以外,前面我还提到 Redis 在 ae.h 文件中,定义了支撑框架运行的主要函数,包括框架主循环的 aeMain 函数、负责事件捕获与分发的 aeProcessEvents 函数,以及负责事件和 handler 注册的 aeCreateFileEvent 函数,它们的原型定义如下:


void aeMain(aeEventLoop *eventLoop);
int aeCreateFileEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask, aeFileProc *proc, void *clientData);
int aeProcessEvents(aeEventLoop *eventLoop, int flags);

而这三个函数的实现,都是在对应的 ae.c 文件中,那么接下来,我就给你具体介绍下这三个函数的主体逻辑和关键流程。

主循环:aeMain 函数

我们先来看下 aeMain 函数。

aeMain 函数的逻辑很简单,就是用一个循环不停地判断事件循环的停止标记。如果事件循环的停止标记被设置为 true,那么针对事件捕获、分发和处理的整个主循环就停止了;否则,主循环会一直执行。aeMain 函数的主体代码如下所示:

void aeMain(aeEventLoop *eventLoop) {
    eventLoop->stop = 0;
    while (!eventLoop->stop) {
        …
        aeProcessEvents(eventLoop, AE_ALL_EVENTS|AE_CALL_AFTER_SLEEP);
    }
}

那么这里你可能要问了,aeMain 函数是在哪里被调用的呢?

按照事件驱动框架的编程规范来说,框架主循环是在服务器程序初始化完成后,就会开始执行。因此,如果我们把目光转向 Redis 服务器初始化的函数,就会发现服务器程序的 main 函数在完成 Redis server 的初始化后,会调用 aeMain 函数开始执行事件驱动框架。如果你想具体查看 main 函数,main 函数在server.c文件中,我们在【第 8 讲】中介绍过该文件,server.c 主要用于初始化服务器和执行服务器整体控制流程,你可以回顾下。

不过,既然 aeMain 函数包含了事件框架的主循环,**那么在主循环中,事件又是如何被捕获、分发和处理呢?**这就是由 aeProcessEvents 函数来完成的了。

事件捕获与分发:aeProcessEvents 函数

aeProcessEvents 函数实现的主要功能,包括捕获事件、判断事件类型和调用具体的事件处理函数,从而实现事件的处理。

从 aeProcessEvents 函数的主体结构中,我们可以看到主要有三个 if 条件分支,如下所示:

int aeProcessEvents(aeEventLoop *eventLoop, int flags)
{
    int processed = 0, numevents;
 
    /* 若没有事件处理,则立刻返回*/
    if (!(flags & AE_TIME_EVENTS) && !(flags & AE_FILE_EVENTS)) return 0;
    /*如果有IO事件发生,或者紧急的时间事件发生,则开始处理*/
    if (eventLoop->maxfd != -1 || ((flags & AE_TIME_EVENTS) && !(flags & AE_DONT_WAIT))) {
       …
    }
    /* 检查是否有时间事件,若有,则调用processTimeEvents函数处理 */
    if (flags & AE_TIME_EVENTS)
        processed += processTimeEvents(eventLoop);
    /* 返回已经处理的文件或时间*/
    return processed; 
}

这三个分支分别对应了以下三种情况:

  • 情况一:既没有时间事件,也没有网络事件;
  • 情况二:有 IO 事件或者有需要紧急处理的时间事件;
  • 情况三:只有普通的时间事件。

那么对于第一种情况来说,因为没有任何事件需要处理,aeProcessEvents 函数就会直接返回到 aeMain 的主循环,开始下一轮的循环;而对于第三种情况来说,该情况发生时只有普通时间事件发生,所以 aeMain 函数会调用专门处理时间事件的函数 processTimeEvents,对时间事件进行处理。

现在,我们再来看看第二种情况。

首先,当该情况发生时,Redis 需要捕获发生的网络事件,并进行相应的处理。那么从 Redis 源码中我们可以分析得到,在这种情况下,aeApiPoll 函数会被调用,用来捕获事件,如下所示:

int aeProcessEvents(aeEventLoop *eventLoop, int flags){
   ...
   if (eventLoop->maxfd != -1 || ((flags & AE_TIME_EVENTS) && !(flags & AE_DONT_WAIT))) {
       ...
       //调用aeApiPoll函数捕获事件
       numevents = aeApiPoll(eventLoop, tvp);
       ...
    }
    ...
}

那么,aeApiPoll 是如何捕获事件呢?

实际上,Redis 是依赖于操作系统底层提供的 IO 多路复用机制,来实现事件捕获,检查是否有新的连接、读写事件发生。为了适配不同的操作系统,Redis 对不同操作系统实现的网络 IO 多路复用函数,都进行了统一的封装,封装后的代码分别通过以下四个文件中实现:

  • ae_epoll.c,对应 Linux 上的 IO 复用函数 epoll;
  • ae_evport.c,对应 Solaris 上的 IO 复用函数 evport;
  • ae_kqueue.c,对应 macOS 或 FreeBSD 上的 IO 复用函数 kqueue;
  • ae_select.c,对应 Linux(或 Windows)的 IO 复用函数 select。

这样,在有了这些封装代码后,Redis 在不同的操作系统上调用 IO 多路复用 API 时,就可以通过统一的接口来进行调用了。

不过看到这里,你可能还是不太明白 Redis 封装的具体操作,所以这里,我就以在服务器端最常用的 Linux 操作系统为例,给你介绍下 Redis 是如何封装 Linux 上提供的 IO 复用 API 的。

首先,Linux 上提供了 epoll_wait API,用于检测内核中发生的网络 IO 事件。在ae_epoll.c文件中,aeApiPoll 函数就是封装了对 epoll_wait 的调用。

这个封装程序如下所示,其中你可以看到,在 aeApiPoll 函数中直接调用了 epoll_wait 函数,并将 epoll 返回的事件信息保存起来的逻辑:

static int aeApiPoll(aeEventLoop *eventLoop, struct timeval *tvp) {
    …
    //调用epoll_wait获取监听到的事件
    retval = epoll_wait(state->epfd,state->events,eventLoop->setsize,
            tvp ? (tvp->tv_sec*1000 + tvp->tv_usec/1000) : -1);
    if (retval > 0) {
        int j;
        //获得监听到的事件数量
        numevents = retval;
        //针对每一个事件,进行处理
        for (j = 0; j < numevents; j++) {
             #保存事件信息
        }
    }
    return numevents;
}

为了让你更加清晰地理解,事件驱动框架是如何实现最终对 epoll_wait 的调用,这里我也放了一张示意图,你可以看看整个调用链是如何工作和实现的。

OK,现在我们就已经在 aeMain 函数中,看到了 aeProcessEvents 函数被调用,并用于捕获和分发事件的基本处理逻辑。

**那么,事件具体是由哪个函数来处理的呢?**这就和框架中的 aeCreateFileEvents 函数有关了。

事件注册:aeCreateFileEvent 函数

我们知道,当 Redis 启动后,服务器程序的 main 函数会调用 initSever 函数来进行初始化,而在初始化的过程中,aeCreateFileEvent 就会被 initServer 函数调用,用于注册要监听的事件,以及相应的事件处理函数。

具体来说,在 initServer 函数的执行过程中,initServer 函数会根据启用的 IP 端口个数,为每个 IP 端口上的网络事件,调用 aeCreateFileEvent,创建对 AE_READABLE 事件的监听,并且注册 AE_READABLE 事件的处理 handler,也就是 acceptTcpHandler 函数。这一过程如下图所示:

所以这里我们可以看到,AE_READABLE 事件就是客户端的网络连接事件,而对应的处理函数就是接收 TCP 连接请求。下面的示例代码中,显示了 initServer 中调用 aeCreateFileEvent 的部分片段,你可以看下:

void initServer(void) {
    …
    for (j = 0; j < server.ipfd_count; j++) {
        if (aeCreateFileEvent(server.el, server.ipfd[j], AE_READABLE,
            acceptTcpHandler,NULL) == AE_ERR)
            {
                serverPanic("Unrecoverable error creating server.ipfd file event.");
            }
  }
  …
}

**那么,aeCreateFileEvent 如何实现事件和处理函数的注册呢?**这就和刚才我介绍的 Redis 对底层 IO 多路复用函数封装有关了,下面我仍然以 Linux 系统为例,来给你说明一下。

首先,Linux 提供了 epoll_ctl API,用于增加新的观察事件。而 Redis 在此基础上,封装了 aeApiAddEvent 函数,对 epoll_ctl 进行调用。

所以这样一来,aeCreateFileEvent 就会调用 aeApiAddEvent,然后 aeApiAddEvent 再通过调用 epoll_ctl,来注册希望监听的事件和相应的处理函数。等到 aeProceeEvents 函数捕获到实际事件时,它就会调用注册的函数对事件进行处理了。

好了,到这里,我们就已经全部了解了 Redis 中实现事件驱动框架的三个关键函数:aeMain、aeProcessEvents,以及 aeCreateFileEvent。当你要去实现一个事件驱动框架时,Redis 的设计思想就具有很好的参考意义。

最后我再带你来简单地回顾下,在实现事件驱动框架的时候,你需要先实现一个主循环函数(对应 aeMain),负责一直运行框架。其次,你需要编写事件注册函数(对应 aeCreateFileEvent),用来注册监听的事件和事件对应的处理函数。只有对事件和处理函数进行了注册,才能在事件发生时调用相应的函数进行处理。

最后,你需要编写事件监听、分发函数(对应 aeProcessEvents),负责调用操作系统底层函数来捕获网络连接、读、写事件,并分发给不同处理函数进一步处理。

小结

Redis 一直被称为单线程架构,按照我们通常的理解,单个线程只能处理单个客户端的请求,但是在实际使用时,我们会看到 Redis 能同时和成百上千个客户端进行交互,这就是因为 Redis 基于 Reactor 模型,实现了高性能的网络框架,通过事件驱动框架,Redis 可以使用一个循环来不断捕获、分发和处理客户端产生的网络连接、数据读写事件。

为了方便你从代码层面掌握 Redis 事件驱动框架的实现,我总结了一个表格,其中列出了 Redis 事件驱动框架的主要函数和功能、它们所属的 C 文件,以及这些函数本身是在 Redis 代码结构中的哪里被调用。你可以使用这张表格,来巩固今天这节课学习的事件驱动框架。

最后,我也再强调下,这节课我们主要关注的是,事件驱动框架的基本运行流程,并以客户端连接事件为例,将框架主循环、事件捕获分发和事件注册的关键步骤串起来,给你做了介绍。Redis 事件驱动框架监听处理的事件,还包括客户端请求、服务器端写数据以及周期性操作等,这也是我下一节课要和你一起学习的主要内容。

每课一问

这节课我们学习了 Reactor 模型,除了 Redis,你还了解什么软件系统使用了 Reactor 模型吗?