Redis 源码学习之事件驱动
Redis基于多路复用技术实现了一套简单的事件驱动库，代码在ae.h、ae.c以及ae_epoll.c、ae_evport.c和ae_kqueue.c、ae_select.c这几个文件中。其中ae表示的是antirez eventloop的意思。
Redis里面包含两种事件类型:FileEvent和TimeEvent。
Redis采用IO多路复用技术，所有的事件都是在一个线程中进行处理。Redis的事件驱动模型可以以以下为代码进行表示:
int main(int argc,char **argv)
{
while(true) {
// 等待事件到来:wait4Event();
// 处理事件:processEvent()
}
}
在一个死循环中等待事件的到来，然后对事件进行处理，以此往复。这就是一个最经典的网络编程模型。
1.基本数据结构
aeEventLoop
aeEventLoop是Redis中事件驱动模型的核心，封装了整个事件循环，其中每个字段解释如下：
-
maxfd:已经接受的最大的文件描述符。
-
setsize:当前循环中所能容纳的文件描述符的数量。
-
timeEventNextId:下一个时间事件的ID.
-
lastTime:上一次被访问的时间，用来检测系统时钟是否被修改。
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events:指针，指向保存所有注册的事件的数组首地址。
-
fired:指针，保存所有已经买被触发的事件的数组首地址。
-
timeEventHead:Redis用一个链表来存储所有的时间事件，timeEventHead是指向这个链表的首节点指针。
-
stop:停止整个事件循环。
-
apiData:指针，指向epoll结构。
-
beforeSleep:函数指针。每次实现循环的时候，在阻塞直到时间到来之前，会先调用这个函数。
aeFileEvent和aeTimeEvent
这两个结构分别表示文件事件和时间事件，定义如下
typedef struct aeFileEvent {
int mask; /* one of AE_(READABLE|WRITABLE) */
aeFileProc *rfileProc; // 函数指针，写事件处理
aeFileProc *wfileProc; // 函数指针，读事件处理
void *clientData; // 具体的数据
} aeFileEvent;
其中mask表示文件事件类型掩码，可以是AE_READABLE表示是可读事件，AE_WRITABLE为可写事件。aeFileProc是函数指针。
/* Time event structure */
typedef struct aeTimeEvent {
long long id; // 事件ID
long when_sec; // 事件触发的时间:s
long when_ms; // 事件触发的时间:ms
aeTimeProc *timeProc; // 函数指针
aeEventFinalizerProc *finalizerProc; // 函数指针:在对应的aeTieEvent节点被删除前调用，可以理解为aeTimeEvent的析构函数
void *clientData; // 指针，指向具体的数据
struct aeTimeEvent *next; // 指向下一个时间事件指针
} aeTimeEvent;
aeFiredEvent
aeFiredEvent结构表示一个已经被触发的事件，结果如下:
/* A fired event */
typedef struct aeFiredEvent {
int fd; // 事件被触发的文件描述符
int mask; // 被触发事件的掩码，表示被触发事件的类型
} aeFiredEvent;
fd表示事件发生在哪个文件描述符上面，mask用来表示具体事件的类型。
aeApiState
Redis底层采用IO多路复用技术实现高并发，具体实现可以采用kqueue、select、epoll等技术。对于Linux来说，epoll的性能要优于select，所以以epoll为例来进行分析。
typedef struct aeApiState {
int epfd;
struct epoll_event *events;
} aeApiState;
aeApiState封装了跟epoll相关的数据，epfd保存epoll_create()返回的文件描述符。
具体实现细节
事件循环启动:aeMain()
事件驱动的启动代码位于ae.c的aeMain()函数中，代码如下:
从aeMain()方法中可以看到，整个事件驱动是在一个while()循环中不停地执行aeProcessEvents()方法，在这个方法中执行从客户端发送过来的请求。
初始化:aeCreateEventLoop()
aeEventLoop的初始化是在aeCreateEventLoop()方法中进行的，这个方法是在server.c中的initServer()中调用的。实现如下:
在这个方法中主要就是给aeEventLoop对象分配内存然后并进行初始化。其中关键的地方有：
1、调用aeApiCreate()初始化epoll相关的数据。aeApiCreate()实现如下:
在aeApiCreate()方法中主要完成以下三件事：
1. 分配aeApiState结构需要的内存。
2. 调用epoll_create()方法生成epoll的文件描述符，并保存在aeApiState.epfd字段中。
3. 把第一步分配的aeApiState的内存地址保存在EventLoop->apidata字段中。
2、初始化events中的mask字段为为AE_NONE。
生成fileEvent:aeCreateFileEvent()
Redis使用aeCreateFileEvent()来生成fileEvent，代码如下:
aeCreateFileEvent()方法主要做了以下三件事:
-
检查新增的fd是否超过所能容纳最大值。
-
调用aeApiAddEvent()方法把对应的fd以mask模式添加到epoll监听器中。
-
设置相应的字段值。
其中最关键的步骤是第二步，aeApiAddEvent()方法如下：
生成timeEvent:aeCreateTimeEvent()
aeCreateTimeEvent()方法主要是用来生成timeEvent节点，其实现比较简单，代码如下所示:
处理timeEevnt:processTimeEvents()
Redis在processTimeEvents()方法中来处理所有的timeEvent，实现如下:
static int processTimeEvents(aeEventLoop *eventLoop) {
int processed = 0;
aeTimeEvent *te, *prev;
long long maxId;
time_t now = time(NULL);
/**
* 如果系统时间被调整到将来某段时间然后又被设置回正确的时间,
* 这种情况下链表中的timeEvent有可能会被随机的延迟执行,因
* 此在这个情况下把所有的timeEvent的触发时间设置为0表示及执行
*/
if (now < eventLoop->lastTime) {
te = eventLoop->timeEventHead;
while(te) {
te->when_sec = 0;
te = te->next;
}
}
eventLoop->lastTime = now; // 设置上次运行时间为now
prev = NULL;
te = eventLoop->timeEventHead;
maxId = eventLoop->timeEventNextId-1;
while(te) {
long now_sec, now_ms;
long long id;
/**
* 删除已经被标志位 删除 的时间事件
*/
if (te->id == AE_DELETED_EVENT_ID) {
aeTimeEvent *next = te->next;
if (prev == NULL)
eventLoop->timeEventHead = te->next;
else
prev->next = te->next;
if (te->finalizerProc)
// 在时间事件节点被删除前调用finlizerProce()方法
te->finalizerProc(eventLoop, te->clientData);
zfree(te);
te = next;
continue;
}
if (te->id > maxId) {
/**
* te->id > maxId 表示当前te指向的timeEvent为当前循环中新添加的,
* 对于新添加的节点在本次循环中不作处理。
* PS:为什么会出现这种情况呢？有可能是在timeProc()里面会注册新的timeEvent节点?
* 对于当前的Redis版本中不会出现te->id > maxId这种情况
*/
te = te->next;
continue;
}
aeGetTime(&now_sec, &now_ms);
if (now_sec > te->when_sec ||
(now_sec == te->when_sec && now_ms >= te->when_ms))
{
// 如果当前时间已经超过了对应的timeEvent节点设置的触发时间，
// 则调用timeProc()方法执行对应的任务
int retval;
id = te->id;
retval = te->timeProc(eventLoop, id, te->clientData);
processed++;
if (retval != AE_NOMORE) {
// 要执行多次，则计算下次执行时间
aeAddMillisecondsToNow(retval,&te->when_sec,&te->when_ms);
} else {
// 如果只需要执行一次，则把id设置为-1，再下次循环中删除
te->id = AE_DELETED_EVENT_ID;
}
}
prev = te;
te = te->next;
}
return processed;
}
在这个方法中会
-
判断系统时间有没有调整过，如果调整过，则会把timeEvent链表中的所有的timeEvent的触发时间设置为0，表示立即执行。
-
对timeEvent链表进行遍历，对于每个timeEvent节点，如果有：
-
返回为AE_NOMORE，表示当前timeEvent节点属于一次性事件，标记该节点ID为AE_DELETED_EVENT_ID,表示删除节点，该节点将会在下一轮的循环中被删除。
-
返回不是AE_NOMORE，表示当前timeEvent节点属于周期性事件，需要多次执行，调用aeAddMillisecondsToNow()方法设置下次被执行时间。
-
如果已经被标记为删除(AE_DELETED_EVENT_ID)，则立即释放对应节点内存，遍历下个节点。
-
如果id大于maxId,则表示当前节点为本次循环中新增节点，咋本次循环中不错处理，继续下个节点。
-
如果当前节点的触发时间大于当前时间，则调用对应节点的timeProc()方法执行任务。根据timeProc()方法的返回，又分为两种情况:
-
-
处理所有事件:aeProcessEvents()
Redis中所有的事件，包括timeEvent和fileEvent都是在aeProcessEvents()方法中进行处理的，刚方法实现如下：
/* Process every pending time event, then every pending file event
* (that may be registered by time event callbacks just processed).
* Without special flags the function sleeps until some file event
* fires, or when the next time event occurs (if any).
*
* If flags is 0, the function does nothing and returns.
* if flags has AE_ALL_EVENTS set, all the kind of events are processed.
* if flags has AE_FILE_EVENTS set, file events are processed.
* if flags has AE_TIME_EVENTS set, time events are processed.
* if flags has AE_DONT_WAIT set the function returns ASAP until all
* the events that's possible to process without to wait are processed.
*
* The function returns the number of events processed. */
int aeProcessEvents(aeEventLoop *eventLoop, int flags)
{
int processed = 0, numevents;
/**
* 既没有时间事件也没有文件事件，则直接返回
*/
if (!(flags & AE_TIME_EVENTS) && !(flags & AE_FILE_EVENTS)) return 0;
/**
* -1 == eventloop->maxfd 表示还么有任何aeFileEvent被添加到epoll
* 事件循环中进行监听
*/
if (eventLoop->maxfd != -1 ||
((flags & AE_TIME_EVENTS) && !(flags & AE_DONT_WAIT))) {
int j;
aeTimeEvent *shortest = NULL;
struct timeval tv, *tvp;
/**
* 如果有aeFileEvent需要处理，就先要从所有待处理的
* aeTimeEvent事件中找到最近的将要被执行的aeTimeEvent节点
* 并结算该节点触发时间
*/
if (flags & AE_TIME_EVENTS && !(flags & AE_DONT_WAIT))
shortest = aeSearchNearestTimer(eventLoop);
if (shortest) {
long now_sec, now_ms;
aeGetTime(&now_sec, &now_ms);
tvp = &tv;
/* How many milliseconds we need to wait for the next
* time event to fire? */
// 计算epoll_wait()需要等待的时间
long long ms =
(shortest->when_sec - now_sec)*1000 +
shortest->when_ms - now_ms;
if (ms > 0) {
tvp->tv_sec = ms/1000;
tvp->tv_usec = (ms % 1000)*1000;
} else {
tvp->tv_sec = 0;
tvp->tv_usec = 0;
}
} else {
// 如果flags设置了AE_DONT_WAIT,则设置epoll_wait()等待时间为0，
// 即立刻从epoll中返回
if (flags & AE_DONT_WAIT) {
tv.tv_sec = tv.tv_usec = 0;
tvp = &tv;
} else {
/* Otherwise we can block */
tvp = NULL; /* wait forever */
}
}
// 调用aeApiPoll()进行阻塞等待事件的到来，等待时间为tvp
numevents = aeApiPoll(eventLoop, tvp);
for (j = 0; j < numevents; j++) {
aeFileEvent *fe = &eventLoop->events[eventLoop->fired[j].fd];
int mask = eventLoop->fired[j].mask;
int fd = eventLoop->fired[j].fd;
int rfired = 0;
/* note the fe->mask & mask & ... code: maybe an already processed
* event removed an element that fired and we still didn't
* processed, so we check if the event is still valid. */
// fe->mask && mask 的目的是确保对应事件时候还有效
if (fe->mask & mask & AE_READABLE) {
rfired = 1;
fe->rfileProc(eventLoop,fd,fe->clientData,mask);
}
if (fe->mask & mask & AE_WRITABLE) {
if (!rfired || fe->wfileProc != fe->rfileProc)
fe->wfileProc(eventLoop,fd,fe->clientData,mask);
}
processed++;
}
}
/* Check time events */
if (flags & AE_TIME_EVENTS)
// 处理aeTimeEvent
processed += processTimeEvents(eventLoop);
return processed; /* return the number of processed file/time events */
}
该方法的入参flag表示要处理哪些事件，可以取以下几个值 ：
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AE_ALL_EVENTS:timeEvent和fileEvent都会处理。
-
AE_FILE_EVENTS:只处理fileEvent。
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AE_TIME_EVENTS:只处理timeEvent。
-
AE_DONT_WAIT:要么立马返回，要么处理完那些不需要等待的事件之后再立马返回。
aeProcessEvents()方法会做下面几件事:
-
判断传入的flag的值，如果既不包含AE_TIME_EVENTS也不包含AE_FILE_EVENTS则直接返回。
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计算如果有aeFileEvent事件需要进行处理，则先计算epoll_wait()方法需要阻塞等待的时间，计算方式如下:
-
先从aeTimeEvent事件链表中找到最近的需要被触发的aeTimeEvent节点并计算需要被触发的时间，该被触发时间则为epoll_wait()需要等待的时间。
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如果没有找到最近的aeTimeEvent节点，表示没有aeTimeEvent节点被加入链表，则判断传入的flags是否包含AE_DONT_WAIT选项，则设置epoll_wait()需要等待时间为0，表示立即返回。
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如果没有设置AE_DONT_WAIT,则设置需要等待时间为NULL,表示epoll_wait()一直阻塞等待知道有fileEvent事件到来。
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调用aeApiPoll()方法阻塞等待事件的到来，阻塞时间为第二步中计算的时间。aeApiPoll()实现见文末：
aeApiPoll()会做下面几件事:
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根据传入的tvp计算需要阻塞的时间，然后调用epoll_wait()进行阻塞等待。
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有事件到来之后先计算对应事件的类型。
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把事件发生的fd以及对应的类型mask拷贝到fired数组中。
-
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从aeApiPoll()方法返回之后，所有事件已经就绪了的fd以及对应事件的类型mask已经保存在eventLoop->fired[]数组中。依次遍历fired数组，根据mask类型，执行对应的frileProc()或者wfileProce()方法。
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如果传入的flags中有AE_TIME_EVENTS,则调用processTimeEvents()执行所有已经到时间了的timeEvent。
