深入了解Redis（底层实现）源码 （第一篇）

Redis源码全景图

Deps目录：

第三方依赖库，那么为啥要引进第三方呢？因为Redis作为一个用C语言写的用户态程序，它的不少功能是依赖标准的glibc库提供的，比如内存分配、行读写、文件读写、子进程/线程创建等。但是，glibc库提供的某些功能实现，效率并不高。

我举个简单的例子，glibc 库中实现的内存分配器的性能就不是很高，它的内存碎片化情况也比较严重。因此为了避免对系统性能产生影响，Redis 使用了 jemalloc 库替换了 glibc 库的内存分配器。可是，jemalloc 库本身又不属于 Redis 系统自身的功能，把它和 Redis 功能源码放在一个目录下并不合适，所以，Redis 使用了专门的 deps 目录来保存这部分代码。

总而言之，对于 deps 目录来说，你只需要记住它主要存放了三类代码：一是 Redis 依赖的、实现更加高效的功能库，如内存分配；二是独立于 Redis 开发演进的代码，如客户端；三是 lua 脚本代码。后续完成功能的设计实现时，就可以在 deps 目录找到它们。

src 目录

这个目录里面包含了 Redis 所有功能模块的代码文件，也是 Redis 源码的重要组成部分。

tests 目录

在软件产品的开发过程中，除了第三方依赖库和功能模块源码以外，我们通常还需要在系统源码中，添加用于功能模块测试和单元测试的代码。而在 Redis 的代码目录中，就将这部分代码用一个 tests 目录统一管理了起来。

Redis 实现的测试代码可以分成四部分，分别是单元测试（对应 unit 子目录），Redis Cluster 功能测试（对应 cluster 子目录）、哨兵功能测试（对应 sentinel 子目录）、主从复制功能测试（对应 integration 子目录）。这些子目录中的测试代码使用了 Tcl 语言（通用的脚本语言）进行编写，主要目的就是方便进行测试。

不过在 tests 目录中，除了有针对特定功能模块的测试代码外，还有一些代码是用来支撑测试功能的，这些代码在 assets、helpers、modules、support 四个目录中。这里我画了这张图，展示了 tests 目录下的代码结构和层次，你可以参考下。

utils 目录

在 Redis 开发过程中，还有一些功能属于辅助性功能，包括用于创建 Redis Cluster 的脚本、用于测试 LRU 算法效果的程序，以及可视化 rehash 过程的程序。在 Redis 代码结构中，这些功能代码都被归类到了 utils 目录中统一管理。下图展示了 utils 目录下的主要子目录，你可以看下。

服务器实例

首先我们知道，Redis 在运行时是一个网络服务器实例，因此相应地就需要有代码实现服务器实例的初始化和主体控制流程，而这是由 server.h/server.c 实现的，Redis 整个代码的 main 入口函数也是在 server.c 中。如果你想了解 Redis 是如何开始运行的，那么就可以从 server.c 的 main 函数开始看起。

当然，对于一个网络服务器来说，它还需要提供网络通信功能。Redis 使用了基于事件驱动机制的网络通信框架，涉及的代码文件包括 ae.h/ae.c，ae_epoll.c，ae_evport.c，ae_kqueue.c，ae_select.c。而除了事件驱动网络框架以外，与网络通信相关的功能还包括底层 TCP 网络通信和客户端实现。

Redis 对 TCP 网络通信的 Socket 连接、设置等操作进行了封装，这些封装后的函数实现在 anet.h/anet.c 中。这些函数在 Redis Cluster 创建和主从复制的过程中，会被调用并用于建立 TCP 连接。除此之外，客户端在 Redis 的运行过程中也会被广泛使用，比如实例返回读取的数据、主从复制时在主从库间传输数据、Redis Cluster 的切片实例通信等，都会用到客户端。Redis 将客户端的创建、消息回复等功能，实现在了 networking.c 文件中，如果你想了解客户端的设计与实现，可以重点看下这个代码文件。

除了 deps、src、tests、utils 四个子目录以外，Redis 源码总目录下其实还包含了两个重要的配置文件，一个是 Redis 实例的配置文件 redis.conf，另一个是哨兵的配置文件 sentinel.conf。当你需要查找或修改 Redis 实例或哨兵的配置时，就可以直接定位到源码总目录下。

数据库数据类型与操作

Redis 数据库提供了丰富的键值对类型，其中包括了 String、List、Hash、Set 和 Sorted Set 这五种基本键值类型。此外，Redis 还支持位图、HyperLogLog、Geo 等扩展数据类型。

而为了支持这些数据类型，Redis 就使用了多种数据结构来作为这些类型的底层结构。比如，String 类型的底层数据结构是 SDS，而 Hash 类型的底层数据结构包括哈希表和压缩列表。

除了实现了诸多的数据类型以外，Redis 作为数据库，还实现了对键值对的新增、查询、修改和删除等操作接口，这部分功能是在 db.c 文件实现的

Redis 是如何优化内存使用的呢？

实际上，Redis是从三个方面来优化内存使用的，分别是内存分配、内存回收、以及数据替换

首先，在内存分配方面，Redis 支持使用不同的内存分配器，包括 glibc 库提供的默认分配器 tcmalloc、第三方库提供的 jemalloc。Redis 把对内存分配器的封装实现在了 zmalloc.h/zmalloc.c。

其次，在内存回收上，Redis 支持设置过期 key，并针对过期 key 可以使用不同删除策略，这部分代码实现在 expire.c 文件中。同时，为了避免大量 key 删除回收内存，会对系统性能产生影响，Redis 在 lazyfree.c 中实现了异步删除的功能，所以这样，我们就可以使用后台 IO 线程来完成删除，以避免对 Redis 主线程的影响。

最后，针对数据替换，如果内存满了，Redis 还会按照一定规则清除不需要的数据，这也是 Redis 可以作为缓存使用的原因。Redis 实现的数据替换策略有很多种，包括 LRU、LFU 等经典算法。这部分的代码实现在了 evict.c 中。

高可靠性和高可扩展性

首先，虽然 Redis 一般是作为内存数据库来使用的，但是它也提供了可靠性保证，这主要体现在 Redis 可以对数据做持久化保存，并且它还实现了主从复制机制，从而可以提供故障恢复的功能。这部分的代码实现比较集中，主要包括以下两个部分。

数据持久化实现
Redis 的数据持久化实现有两种方式：内存快照 RDB 和 AOF 日志，分别实现在了 rdb.h/rdb.c 和 aof.c 中。

注意，在使用 RDB 或 AOF 对数据库进行恢复时，RDB 和 AOF 文件可能会因为 Redis 实例所在服务器宕机，而未能完整保存，进而会影响到数据库恢复。因此针对这一问题，Redis 还实现了对这两类文件的检查功能，对应的代码文件分别是 redis-check-rdb.c 和 redis-check-aof.c。

主从复制功能实现

Redis 把主从复制功能实现在了 replication.c 文件中。另外你还需要知道的是，Redis 的主从集群在进行恢复时，主要是依赖于哨兵机制，而这部分功能则直接实现在了 sentinel.c 文件中。

其次，与 Redis 实现高可靠性保证的功能类似，Redis 高可扩展性保证的功能，是通过 Redis Cluster 来实现的，这部分代码也非常集中，就是在 cluster.h/cluster.c 代码文件中。

总结

数据类型：

• String（t_string.c、sds.c、bitops.c）
• List（t_list.c、ziplist.c）
• Hash（t_hash.c、ziplist.c、dict.c）
• Set（t_set.c、intset.c）
• Sorted Set（t_zset.c、ziplist.c、dict.c）
• HyperLogLog（hyperloglog.c）
• Geo（geo.c、geohash.c、geohash_helper.c）
• Stream（t_stream.c、rax.c、listpack.c）

全局：

• Server（server.c、anet.c）
• Object（object.c）
• 键值对（db.c）
• 事件驱动（ae.c、ae_epoll.c、ae_kqueue.c、ae_evport.c、ae_select.c、networking.c）
• 内存回收（expire.c、lazyfree.c）
• 数据替换（evict.c）
• 后台线程（bio.c）
• 事务（multi.c）
• PubSub（pubsub.c）
• 内存分配（zmalloc.c）
• 双向链表（adlist.c）

高可用&集群：

• 持久化：RDB（rdb.c、redis-check-rdb.c)、AOF（aof.c、redis-check-aof.c）
• 主从复制（replication.c）
• 哨兵（sentinel.c）
• 集群（cluster.c）

辅助功能：

• 延迟统计（latency.c）
• 慢日志（slowlog.c）
• 通知（notify.c）
• 基准性能（redis-benchmark.c）