Redis | 第10章 二进制数组、慢查询日志和监视器《Redis设计与实现》

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前言

参考资料：《Redis设计与实现 第二版》；

第三部分为独立功能的实现，主要由以下模块组成：发布订阅、事务、Lua 脚本、排序、二进制位数组、慢查询日志、监视器；

本篇将介绍 Redis 的二进制位数组、慢查询日志和监视器。Redis 提供了一些命令操作二进制位数组；通过 SLOWLOG 相关命令可以对慢查询日志进行操作；通过 MONITOR 命令可以进入监视器模式；

与本章相关的 Redis 命令总结在下篇文章，欢迎点击收藏，本篇将不再重复：

《Redis常用命令及示例总结（API）》：https://blog.csdn.net/dlhjw1412/article/details/119713214

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1. 二进制位数组

1.1 位数组的表示

• Redis 使用字符串对象来表示位数组，因为字符串对象使用的 SDS 是二进制安全的；
• 使用逆序保存位数组，下图实际为：1111 0000 1100 0011 1010 0101；
  • 使用逆序保存位数组，可以直接在新扩展的二进制位中完成，不必改动位数组原来已有的二进制位；

1.2 GETBIT 命令的实现

• GETBIT key offset 命令；
• 1）计算 byte=offset / 8；byte 值表示位数组的哪个字节；
• 2）计算 bit=(offset mod 8)+1；bit 值表示在 byte 下标字节的第几个二进制位；
• 3）根据 byte 和 bit 的值定位 offfset 偏移量指定的二进制位；
• 4）向客户端返回二进制位的值；

1.3 SETBIT 命令的实现

• SETBIT key offset value 命令；

• 1）计算 len=offset/8+1；len 值表示 offset 指定的二进制位至少需要多少字节；

• 2）根据 len 值进行扩展新空间，如果原位数组长度够则不扩展；

• 3）计算 byte=offset/8；byte 值表示位数组的哪个字节；

• 4）计算 bit=(offset mod 8)+1；bit 值表示在 byte 下标字节的第几个二进制位；

• 5）根据 byte 和 bit 的值定位 offfset 偏移量指定的二进制位 oldvalue，并修改；

• 6）向客户端返回二进制位 oldvalue 的值；

• 无扩展操作的 SETBIT 命令示例如下：
  

• 带扩展操作的 SETBIT 命令示例如下：
  

1.4 BITECOUNT 命令的实现

• 遍历算法：

  • 遍历位数组中的每个二进制位，遇到 1 时将计数器值赠 1；
  • 实现简单，效率低；

• 查表法：

  • 对于长度有限的位数组而言，能表示的二进制位有限，而每种排列顺序的 1 的个数是确定的；
  • 查表法是典型的空间换时间策略，节约时间越多，花费内存越大
  • 受 CPU 缓存限制：创建表越大，能加载进缓存的内容越少，缓存不命中的情况越高，缓存的换入换出操作就越频繁，最终影响实际效率；
    

• variable-precision SWAR 算法：

  • 又称：计算汉明重量法；

  • 一个处理 32 位长度位数的算法示例：

    uint32_t swar(unit32_t i){
        //步骤1：按每2个二进制位为一组分组，各组的十进制为汉明重量
        i = (i & 0x55555555) + ((i >> 1) & 0x55555555);
        //步骤2：按每4个二进制位为一组分组，各组的十进制为汉明重量
        i = (i & 0x33333333) + ((i >> 2) & 0x33333333);
        //步骤3：按每8个二进制位为一组分组，各组的十进制为汉明重量
        i = (i & 0x0F0F0F0F) + ((i >> 4) & 0x0F0F0F0F);
        //步骤4
        i = (i*(0x01010101) >> 24);
        return i;
    }
    

  • 一个示例如下：

• Redis 的实现：
  • BITCOUNT 命令使用查表法和 variable-precision SWAR 法两种；
    • 查表法：使用键长为 8 位的表，记录 0000 0000 到 1111 1111 在内的二进制位的汉明重量；
    • variable-precision SWAR 法：每次循环中载入 128 个二进制位，调用 4 次 32 位的variable-precision SWAR 法计算 128 位二进制位的汉明重量；
  • 程序根据未处理的二进制位的数量决定使用哪种算法：
    • 未处理二进制位大于等于 128 位：variable-precision SWAR 法；
    • 未处理二进制位小于 128 位：查表法；
• 算法的时间复杂度为：O(n)，n 为输入二进制位的数量；

1.5 BITOP 命令的实现

• BITOP 命令的所有操作都是使用 C 语言内置的位操作来实现的；

  BITOP 命令	C语言操作	说明
  BITOP AND	&	逻辑与
  BITOP OR	|	逻辑或
  BITOP XOR	^	逻辑异或
  BITOP NOT	~	逻辑非

2. 慢查询日志

• Redis 的慢查询日志功能用于记录执行时间超过给定时长的命令请求，用户可以通过这个功能产生的例子来监视和优化查询速度；

• 服务器配置有两个和慢查询日志相关的选项：

  • slowlog-log-slower-than 选项：指定执行时间超过多少毫秒的命令请求会被记录到日志上；
  • slowlog-max-len 选项：指定服务器最多保存多少条慢查询日志。采用先进先出的方式；

• 使用 SLOWLOG 相关命令可以操作慢查询日志；

2.1 慢查询记录的保存

• 服务器状态中包含与慢查询日志功能相关的属性：

  struct redisServer{
      //...
      // 下一条慢查询日志的 ID
      long long slowlog_entry_id;
      // 保存了所有慢查询日志的链表
      list *slowlog;
      // 服务器配置 slow_log_slower_than 选项的值
      long long slow_log_slower_than;
      // 服务器配置 slowlog_max_len 选项的值
      unsigned long slowlog_max_len;
  };
  

• slowlog 链表结构如下：

  typedef struct slowlogEntry{
      // 唯一标识符
      long long id;
      // 命令执行时的时间，格式为 UNIX 时间戳
      time_t time;
      // 执行命令消耗的时间，以微秒为单位
      long long duration;
      // 命令与命令参数
      robj **argv;
      // 命令与命令参数的数量
      int argc;
  } slowlogEntry;
  

2.2 慢查询日志的阅览与删除

• SLOWLOG GET [number]；打印所有 slow log ，最大长度取决于 slowlog-max-len 选项的值；
• SLOWLOG LEN；查看当前日志的数量。其值为 slowlog 链表的长度；
• SLOWLOG RESET；清除所有慢查询日志；

2.3 添加新日志

• 每次执行命令的之前和之后，程序会记录微秒格式的当前 UNIX 时间戳，两个时间戳之间的差值就是服务器执行命令所消耗的时长；
• 新的慢查询日志会被添加到 slowlog 链表的表头，如果日志的数量超过 slowlog-max-len 选项的值，那么多出来的日志会被删除；

3. 监视器

• 执行 MONITOR 命令，客户端可以将自己变为一个监视器，实时打印服务器当前处理的命令请求相关信息；
• 当一个客户端从普通客户端变为监视器时，该客户端的 REDIS_MONITOR 标识会被打开，该客户端会被添加到 monitors 链表的表尾；
• 所有监视器都记录在 monitors 链表里；
• 每次处理命令请求时，服务器会遍历 monitors 链表，将相关信息发送给监视器；

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最后

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