Redis多路复用原理详解

一、什么是多路复用

多路复用是指在单一的通信信道上，同时传输多个信号或数据流的技术。举个例子，我们可以想象一条高速公路，车辆在不同的车道上行驶，但它们共用同一条路。

二、Redis的多路复用

Redis是一个基于内存的key-value存储系统，常用于缓存，消息队列和会话管理等场景。Redis Server在启动时会监听一定端口，接收来自客户端的连接请求。在客户端与服务端之间的通信中，多路复用起到了至关重要的作用。

Redis服务端采用了单线程模型，避免了多线程并发带来的竞争、锁等问题。但在单线程模型下，如果客户端连接较多，也会导致服务器性能下降。多路复用技术可以同时处理多个连接请求，减少IO的消耗，提升Redis Server的性能。

三、Redis的多路复用实现原理

Redis服务端对于客户端的请求，采取了以下两种方式进行处理：

• 阻塞式
• 非阻塞式

1. 阻塞式

// 阻塞式版本的实现
while(1) {
  fd = accept();
  read(fd);
}

在阻塞式的方式中，Redis Server会为每个连接请求创建一个新的线程，然后使用阻塞方式处理IO。当连接请求较多时，会导致服务器创建的线程数太多，系统性能大幅下降。

2. 非阻塞式

// 非阻塞式版本的实现
while(1) {
  fd_set rfds;
  FD_ZERO(&rfds);
  FD_SET(serversock);
  for (i=0; i<numclients; i++)
    FD_SET(clients[i]);
  select(n, &rfds, NULL, NULL, NULL);
  for (i=0; i<numclients; i++) {
    if (FD_ISSET(clients[i])) {
      read(clients[i]);
    }
  }
}

在非阻塞式中，Redis Server使用了IO多路复用的方式，将多个连接请求的处理过程合并为一个事件循环中。在每个循环周期中，Redis Server对所有的连接请求进行监听，如果有请求就进行接收处理，如果没有请求则继续等待。

在select、poll和epoll等多路复用IO模型中，Redis Server使用的就是epoll模型。epoll模型的特点是，将连接请求的状态保存在内核中，减少了每次轮询的开销，提高了服务器的效率。

四、Redis多路复用实现代码

1. 服务器端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/epoll.h>

#define MAX_EVENTS 10

int main() {
  struct epoll_event event, events[MAX_EVENTS];
  int listen_sock, conn_sock, nfds, epollfd;
  struct sockaddr_in addr;
  char buf[256];
  int i;

  listen_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  if (listen_sock == -1) {
    perror("socket failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
  memset(&addr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_port = htons(8080);
  addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
  if (bind(listen_sock, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(struct sockaddr_in)) == -1) {
    perror("bind failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
  if (listen(listen_sock, 5) == -1) {
    perror("listen failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
  epollfd = epoll_create1(0);
  if (epollfd == -1) {
    perror("epoll_create1 failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
  event.data.fd = listen_sock;
  event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
  if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_sock, &event) == -1) {
    perror("epoll_ctl failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
  for (;;) {
    nfds = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENTS, -1);
    if (nfds == -1) {
      perror("epoll_wait failed");
      exit(EXIT_FAILURE);
    }
    for (i = 0; i < nfds; ++i) {
      if (events[i].data.fd == listen_sock) {
        conn_sock = accept(listen_sock, NULL, NULL);
        if (conn_sock == -1) {
          perror("accept failed");
          exit(EXIT_FAILURE);
        }
        sprintf(buf, "Hello, client %d", conn_sock);
        write(conn_sock, buf, strlen(buf));
        event.data.fd = conn_sock;
        event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
        if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, conn_sock, &event) == -1) {
          perror("epoll_ctl add conn_sock failed");
        }
      } else {
        int n = read(events[i].data.fd, buf, sizeof(buf));
        if (n <= 0) {
          if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, events[i].data.fd, NULL) == -1) {
            perror("epoll_ctl delete fd failed");
          }
          close(events[i].data.fd);
        } else {
          write(events[i].data.fd, buf, n);
        }
      }
    }
  }
  close(listen_sock);
  exit(EXIT_SUCCESS);
}

2. 客户端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {
  int client_sock;
  struct sockaddr_in server_addr;
  char buf[256];

  client_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  if (client_sock == -1) {
    perror("socket failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
  memset(&server_addr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
  server_addr.sin_family = AF_INET;
  server_addr.sin_port = htons(8080);
  server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
  if (connect(client_sock, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(struct sockaddr_in)) == -1) {
    perror("connect failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
  int n = read(client_sock, buf, sizeof(buf));
  if (n > 0) {
    buf[n] = '\0';
    printf("%s\n", buf);
  }
  close(client_sock);
  exit(EXIT_SUCCESS);
}

五、结论

Redis的多路复用技术可以在单线程模型下提升服务器的性能，避免了多线程并发带来的竞争、锁等问题。Redis服务端采用的是epoll模型，将连接请求的状态保存在内核中，减少了每次轮询的开销。在实际应用中，我们可以参考该示例代码，进行自己的开发和部署。