Redis多路復用原理詳解

一、什麼是多路復用

多路復用是指在單一的通信信道上，同時傳輸多個信號或數據流的技術。舉個例子，我們可以想像一條高速公路，車輛在不同的車道上行駛，但它們共用同一條路。

二、Redis的多路復用

Redis是一個基於內存的key-value存儲系統，常用於緩存，消息隊列和會話管理等場景。Redis Server在啟動時會監聽一定埠，接收來自客戶端的連接請求。在客戶端與服務端之間的通信中，多路復用起到了至關重要的作用。

Redis服務端採用了單線程模型，避免了多線程並髮帶來的競爭、鎖等問題。但在單線程模型下，如果客戶端連接較多，也會導致伺服器性能下降。多路復用技術可以同時處理多個連接請求，減少IO的消耗，提升Redis Server的性能。

三、Redis的多路復用實現原理

Redis服務端對於客戶端的請求，採取了以下兩種方式進行處理：

• 阻塞式
• 非阻塞式

1. 阻塞式

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

在阻塞式的方式中，Redis Server會為每個連接請求創建一個新的線程，然後使用阻塞方式處理IO。當連接請求較多時，會導致伺服器創建的線程數太多，系統性能大幅下降。

2. 非阻塞式

// 非阻塞式版本的實現
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多路復用的方式，將多個連接請求的處理過程合併為一個事件循環中。在每個循環周期中，Redis Server對所有的連接請求進行監聽，如果有請求就進行接收處理，如果沒有請求則繼續等待。

在select、poll和epoll等多路復用IO模型中，Redis Server使用的就是epoll模型。epoll模型的特點是，將連接請求的狀態保存在內核中，減少了每次輪詢的開銷，提高了伺服器的效率。

四、Redis多路復用實現代碼

1. 伺服器端

#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. 客戶端

#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、結論

Redis的多路復用技術可以在單線程模型下提升伺服器的性能，避免了多線程並髮帶來的競爭、鎖等問題。Redis服務端採用的是epoll模型，將連接請求的狀態保存在內核中，減少了每次輪詢的開銷。在實際應用中，我們可以參考該示例代碼，進行自己的開發和部署。