Redis学习教程之命令的执行过程详解

前言

之前写了一系列文章，已经很深入的探讨了 Redis 的数据结构，数据库的实现，key的过期策略以及 Redis 是怎么处理事件的。所以距离 Redis 的单机实现只差最后一步了，就是 Redis 是怎么处理 client 发来的命令并返回结果的，所以我们就仔细讨论一下 Redis 是怎么执行命令的。

阅读这篇文章你将会了解到：

Redis 是怎么执行远程客户端发来的命令的

Redis client（客户端）

Redis 是单线程应用，它是如何与多个客户端简历网络链接并处理命令的？
由于 Redis 是基于 I/O 多路复用技术，为了能够处理多个客户端的请求，Redis 在本地为每一个链接到 Redis 服务器的客户端创建了一个 redisClient 的数据结构，这个数据结构包含了每个客户端各自的状态和执行的命令。 Redis 服务器使用一个链表来维护多个 redisClient 数据结构。

在服务器端用一个链表来管理所有的 redisClient。

struct redisServer {
 //...
 list *clients;  /* List of active clients */
 //...
}

所以我就看看 redisClient 包含的数据结构和重要参数：

typedef struct redisClient {

 // 客户端状态标志
 int flags;  /* REDIS_SLAVE | REDIS_MONITOR | REDIS_MULTI ... */
 
 // 套接字描述符
 int fd;

 // 当前正在使用的数据库
 redisDb *db;

 // 当前正在使用的数据库的 id （号码）
 int dictid;

 // 客户端的名字
 robj *name;  /* As set by CLIENT SETNAME */

 // 查询缓冲区
 sds querybuf;

 // 查询缓冲区长度峰值
 size_t querybuf_peak; /* Recent (100ms or more) peak of querybuf size */

 // 参数数量
 int argc;

 // 参数对象数组
 robj **argv;

 // 记录被客户端执行的命令
 struct redisCommand *cmd, *lastcmd;

 // 请求的类型：内联命令还是多条命令
 int reqtype;

 // 剩余未读取的命令内容数量
 int multibulklen; /* number of multi bulk arguments left to read */

 // 命令内容的长度
 long bulklen;  /* length of bulk argument in multi bulk request */

 // 回复链表
 list *reply;

 // 回复链表中对象的总大小
 unsigned long reply_bytes; /* Tot bytes of objects in reply list */

 // 已发送字节，处理 short write 用
 int sentlen;  /* Amount of bytes already sent in the current
    buffer or object being sent. */

 // 回复偏移量
 int bufpos;
 // 回复缓冲区
 char buf[REDIS_REPLY_CHUNK_BYTES];
 // ...
}

这里需要特别的注意，redisClient 并非指远程的客户端，而是一个 Redis 服务本地的数据结构，我们可以理解这个 redisClient 是远程客户端的一个映射或者代理。

flags

flags 表示了目前客户端的角色，以及目前所处的状态。他比较特殊可以单独表示一个状态或者多个状态。

querybuf

querybuf 是一个 sds 动态字符串类型，所谓 buf 说明是它只是一个缓冲区，用于存储没有被解析的命令。

argc & argv

上文的 querybuf 是一个没有处理过的命令，当 Redis 将 querybuf 命令解析以后，会将得出的参数个数和以及参数分别保存在 argc 和 argv 中。argv 是一个 redisObject 的数组。

cmd

Redis 使用一个字典保存了所有的 redisCommand。key 是 redisCommand 的名字，值就是一个 redisCommand 结构，这个结构保存了命令的实现函数，命令的标志，命令应该给定的参数个数，命令的执行次数和总消耗时长等统计信息，cmd 是一个 redisCommand。

当 Redis 解析出 argv 和 argc 后，会根据数组 argv[0]，到字典中查询出对应的 redisCommand。上文的例子中 Redis 就会去字典去查找 SET 这个命令对应的 redisCommand。redis 会执行 redisCommand 中命令的实现函数。

buf & bufpos & reply

buf 是一个长度为 REDIS_REPLY_CHUNK_BYTES 的数组。Redis 执行相应的操作以后，就会将需要返回的返回的数据存储到 buf 中，bufpos 用于记录 buf 中已用的字节数数量，当需要恢复的数据大于 REDIS_REPLY_CHUNK_BYTES 时，redis 就会是用 reply 这个链表来保存数据。

其他参数

其他参数大家看注释就能明白，就是字面的意思。省略的参数基本上涉及 Redis 集群管理的参数，在之后的文章中会继续讲解。

客户端的链接和断开

上文说过 redisServer 是用一个链表来维护所有的 redisClient 状态，每当有一个客户端发起链接以后，就会在 Redis 中生成一个对应的 redisClient 数据结构，增加到clients这个链表之后。

一个客户端很可能被多种原因断开。

总体分为几种类型：

客户端主动退出或者被 kill。
timeout 超时。
Redis 为了自我保护，会断开发的数据超过限制大小的客户端。
Redis 为了自我保护，会断需要返回的数据超过限制大小的客户端。

调用总结

当客户端和服务器端的嵌套字变得可读的时候，服务器将会调用命令请求处理器来执行以下操作：

读取嵌套字中的数据，写入 querybuf。
解析 querybuf 中的命令，记录到 argc 和 argv 中。
根据 argv[0] 查找对应的 recommand。
执行 recommand 对应的实现函数。
执行以后将结果存入 buf & bufpos & reply 中，返回给调用方。

Redis Server (服务端)

上文是从 redisClient 的角度来观察命令的执行，文章接下来的部分将会从 Redis 的代码层面，微观的观察 Redis 是怎么实现命令的执行的。

redisServer 的启动

在了解redisServer 的工作机制的工作机制之前，需要了解 redisServer 的启动做了什么：

可以继续观察 Redis 的 main() 函数。

int main(int argc, char **argv) {
 //...
 // 创建并初始化服务器数据结构
 initServer();
 //...
}

我们只关注 initServer() 这个函数，他负责初始化服务器的数据结构。继续跟踪代码:

void initServer() {
 //...
 //创建eventLoop
 server.el = aeCreateEventLoop(server.maxclients+REDIS_EVENTLOOP_FDSET_INCR);
 /* Create an event handler for accepting new connections in TCP and Unix
 * domain sockets. */
 // 为 TCP 连接关联连接应答（accept）处理器
 // 用于接受并应答客户端的 connect() 调用
 for (j = 0; j < server.ipfd_count; j++) {
 if (aeCreateFileEvent(server.el, server.ipfd[j], AE_READABLE,
  acceptTcpHandler,NULL) == AE_ERR)
  {
  redisPanic(
   "Unrecoverable error creating server.ipfd file event.");
  }
 }

 // 为本地套接字关联应答处理器
 if (server.sofd > 0 && aeCreateFileEvent(server.el,server.sofd,AE_READABLE,
 acceptUnixHandler,NULL) == AE_ERR) redisPanic("Unrecoverable error creating server.sofd file event.");
 //...
}

篇幅限制，我们省略了很多与本编文章无关的代码，保留了核心逻辑代码。

在上一篇文章中《Redis 中的事件驱动模型》我们讲解过，redis 使用不同的事件处理器，处理不同的事件。

在这段代码里面：

初始化了事件处理器的 eventLoop
向 eventLoop 中注册了两个事件处理器 acceptTcpHandler 和 acceptUnixHandler，分别处理远程的链接和本地链接。

redisClient 的创建

当有一个远程客户端连接到 Redis 的服务器，会触发 acceptTcpHandler 事件处理器.

acceptTcpHandler 事件处理器，会创建一个链接。然后继续调用 acceptCommonHandler。

acceptCommonHandler 事件处理器的作用是：

调用 createClient() 方法创建 redisClient
检查已经创建的 redisClient 是否超过 server 允许的数量的上限
如果超过上限就拒绝远程连接
否则创建 redisClient 创建成功
并更新连接的统计次数，更新 redisClinet 的 flags 字段

这个时候 Redis 在服务端创建了 redisClient 数据结构，这个时候远程的客户端就在 redisServer 中创建了一个代理。远程的客户端就与 Redis 服务器建立了联系，就可以向服务器发送命令了。

处理命令

在 createClient() 行数中：

// 绑定读事件到事件 loop （开始接收命令请求）
if (aeCreateFileEvent(server.el,fd,AE_READABLE,readQueryFromClient, c) == AE_ERR)

向 eventLoop 中注册了 readQueryFromClient。 readQueryFromClient 的作用就是从client中读取客户端的查询缓冲区内容。

然后调用函数 processInputBuffer 来处理客户端的请求。在 processInputBuffer 中有几个核心函数：

processInlineBuffer 和 processMultibulkBuffer 解析 querybuf 中的命令，记录到 argc 和 argv 中。
processCommand 根据 argv[0] 查找对应的 recommen,执行 recommend 对应的执行函数。在执行之前还会验证命令的正确性。将结果存入 buf & bufpos & reply 中

返回数据

万事具备了，执行完了命令就需要把数据返回给远程的调用方。调用链如下

processCommand -> addReply -> prepareClientToWrite

在 prepareClientToWrite 中我们有见到了熟悉的代码：

aeCreateFileEvent(server.el, c->fd, AE_WRITABLE,sendReplyToClient, c) == AE_ERR) return REDIS_ERR;

向 eventloop 绑定了 sendReplyToClient 事件处理器。

在 sendReplyToClient 中观察代码发现，如果 bufpos 大于 0，将会把 buf 发送给远程的客户端，如果链表 reply 的长度大于0，就会将遍历链表 reply，发送给远程的客户端，这里需要注意的是，为了避免 reply 数据量过大，就会过度的占用资源引起 Redis 相应慢。为了解决这个问题，当写入的总数量大于 REDIS_MAX_WRITE_PER_EVENT 时，Redis 将会临时中断写入，记录操作的进度，将处理时间让给其他操作，剩余的内容等下次继续。这样的套路我们一路走来看过太多了。

总结

远程客户端连接到 redis 后，redis服务端会为远程客户端创建一个 redisClient 作为代理。
redis 会读取嵌套字中的数据，写入 querybuf 中。
解析 querybuf 中的命令，记录到 argc 和 argv 中。
根据 argv[0] 查找对应的 recommand。
执行 recommend 对应的执行函数。
执行以后将结果存入 buf & bufpos & reply 中。
返回给调用方。返回数据的时候，会控制写入数据量的大小，如果过大会分成若干次。保证 redis 的相应时间。

Redis 作为单线程应用，一直贯彻的思想就是，每个步骤的执行都有一个上限（包括执行时间的上限或者文件尺寸的上限）一旦达到上限，就会记录下当前的执行进度，下次再执行。保证了 Redis 能够及时响应不发生阻塞。

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