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Redis 5設計與源碼分析
陳雷 等編著
第1章
引 言
Redis是目前最流行的鍵值對（key-value）資料庫，以出色的性能著稱，官方提供的資料是可以支援100 000以上的+QPS。Redis具有高性能的主要原因如下。
1）Redis是基于記憶體的存儲資料庫，絕大部分的指令處理隻是純粹的記憶體操作，記憶體的讀寫速度非常快。
2）Redis是單程序線程的服務（實際上一個正在運作的Redis Server肯定不止一個線程，但隻有一個線程來處理網絡請求），避免了不必要的上下文切換，同時不存在加鎖/釋放鎖等同步操作。
3）Redis使用多路I/O複用模型（select、poll、epoll），可以高效處理大量并發連接配接。
4）Redis中的資料結構是專門設計的，增、删、改、查等操作相對簡單。
本章主要介紹Redis簡介、Redis 5.0的新特性、Redis源代碼概念、Redis安裝與調試，希望對讀者閱讀和研究Redis源碼有一定的幫助。
1.1 Redis簡介
Redis（REmote DIctionary Server）是一個使用ANSI C編寫的、開源的、支援網絡的、基于記憶體的、可選持久化的鍵值對存儲系統。在2013年5月之前，Redis的開發由VMware贊助；2013年5月至2015年6月，由Pivotal贊助；從2015年6月起，Redis的開發由Redis Labs贊助。根據資料庫使用排行網站db-engines.com上的排名，Redis是目前最流行的鍵值對存儲系統。
Redis由Salvatore Sanfilippo在2009年釋出初始版本，開源後不斷發展壯大，目前的最新版為Redis 5.0。Redis的主要版本如下。
1）2009年5月釋出Redis初始版本。
2）2012年釋出Redis 2.6.0。
3）2013年11月釋出Redis 2.8.0。
4）2015年4月釋出Redis 3.0.0，該版本引入了叢集。
5）2017年7月釋出Redis 4.0.0，該版本引入了子產品系統。
6）2018年10月釋出Redis 5.0.0，該版本引入了Streams結構。
Redis在網際網路資料存儲方面應用廣泛，主要具有以下優點。
1）Redis是記憶體型的資料庫，也就是說Redis中的key-value對是存儲在記憶體中的，因而效率比磁盤型的快。
2）Redis的工作模式為單線程，不需要線程間的同步操作。Redis采用單線程主要因為其瓶頸在記憶體和帶寬上，而不是CPU。
3）Redis中key-value的value不僅可以是字元串，也可以是複雜的資料類型，如連結清單、集合、散清單等。
4）Redis支援資料持久化，可以采用RDB、AOF、RDB&AOF三種方案。計算機重新開機後可以在磁盤中進行資料恢複。
5）Redis支援主從結構，可以利用從執行個體進行資料備份。
1.2 Redis 5.0的新特性
相較于Redis 4.0，Redis 5.0增加了很多新的特性，限于篇幅，本節主要介紹幾個較重要的特性，具體内容可以參考官方文檔。
1）新增Streams資料類型，這是Redis 5.0最重要的改進之一。可以把Streams當作消息隊列，詳細内容參見後續章節。
2）新的子產品API、定時器、叢集及字典。
3）RDB中持久化存儲LFU和LRU的資訊。
4）将叢集管理功能完全用C語言內建到redis-cli中，Redis 3.x和Redis 4.x的叢集管理是通過Ruby腳本實作的。
5）有序集合新增指令ZPOPMIN/ZPOPMAX。
6）改進HyperLogLog的實作。
7）新增Client Unblock和Client ID。
8）新增LOLWUT指令。
9）Redis主從複制中的從不再稱為Slave，改稱Replicas。
10）Redis 5.0引入動态哈希，以平衡CPU的使用率和相應性能，可以通過配置檔案進行配置。Redis 5.0預設使用動态哈希。
11）Redis核心代碼進行了部分重構和優化。
1.3 Redis源碼概述
Redis源代碼主要存放在src檔案夾中，作者沒有整理這些檔案，統一存放到了一個檔案夾中，如圖1-1所示。其中server.c為服務端程式，redis-cli.c為用戶端程式。
Redis源代碼的核心部分主要如下。
（1）基本的資料結構
□動态字元串sds.c
□整數集合intset.c
□壓縮清單ziplist.c
□快速連結清單quicklist.c
□字典dict.c
□Streams的底層實作結構listpack.c和rax.c
（2）Redis資料類型的底層實作
□Redis對象object.c
□字元串t_string.c
□清單t_list.c
□字典t_hash.c
□集合及有序集合t_set.c和t_zset.c
□資料流t_stream.c
（3）Redis資料庫的實作
□資料庫的底層實作db.c
□持久化rdb.c和aof.c
（4）Redis服務端和用戶端實作
□事件驅動ae.c和ae_epoll.c
□網絡連接配接anet.c和networking.c
□服務端程式server.c
□用戶端程式redis-cli.c
（5）其他
□主從複制replication.c
□哨兵sentinel.c
□叢集cluster.c
□其他資料結構，如hyperloglog.c、geo.c等
□其他功能，如pub/sub、Lua腳本
以上為Redis核心代碼的簡單劃分，本書重點介紹Redis用戶端使用指令的底層實作，在閱讀後續章節時，建議按照本書編排順序進行閱讀。首先學習Redis底層的資料存儲結構；然後學習Redis每個指令的具體實作；最後可以根據需要學習Redis其他方面的内容，如主從複制、哨兵、叢集、持久化等。
1.4 Redis安裝與調試
我們以 Linux 環境為例來進行安裝。
通過網址
http://download.redis.io/releases/可以獲得各個版本的Redis源碼，本書以Redis 5.0為例，下載下傳源碼包并編譯安裝（源碼包URL為
http://download.redis.io/releases/redis-5.0.0.tar.gz）。
$ wget
$ tar -zxvf redis-5.0.0.tar.gz
$ cd redis-5.0.0
$ make
$ cd src
$make install
到此，我們完成了Redis 5.0的編譯安裝，生成的可執行檔案在/usr/local/bin目錄中：
redis-benchmark redis-check-aof redis-check-rdb redis-cli
redis-sentinel redis-server
其中redis-benchmark是官方自帶的Redis性能測試工具；當AOF檔案或者RDB檔案出現文法錯誤時，可以使用redis-check-aof或者redis-check-rdb修複；redis-cli是用戶端指令行工具，可以通過指令redis-cli -h {host} -p {port}連接配接到指定Redis伺服器；redis-sentinel是Redis哨兵啟動程式；redis-server是Redis服務端啟動程式。
例如，使用redis-server啟動服務端程式（預設監聽端口是6379）：
$ /usr/local/bin/redis-server
使用redis-cli連接配接Redis伺服器并添加鍵值對：
$ redis-cli -h 127.0.0.1 -p 6379
127.0.0.1:6379> set name zhangsan
OK
127.0.0.1:6379> get name
"zhangsan"
GDB是一個由GNU開源組織釋出的、UNIX/Linux作業系統下的、基于指令行的、功能強大的程式調試工具。下面我們示範如何通過GDB來調試Redis。
用GDB啟動redis-server服務端程式：
$ gdb /usr/local/bin/redis-server
(gdb)
使用b指令在main函數入口增加斷點：
(gdb) b main
Breakpoint 1 at 0x427770: file server.c, line 4000.
使用r指令運作：
(gdb) r
Starting program: /usr/local/bin/redis-server
[Thread debugging using libthread_db enabled]
Using host libthread_db library "/lib64/libthread_db.so.1".
Breakpoint 1, main (argc=1, argv=0x7fffffffe528) at server.c:4000
4000 int main(int argc, char **argv)
從上面的輸出中可以看到，代碼執行到main函數停止。接下來，使用n指令執行下一步：
(gdb) n
4034 spt_init(argc, argv);
使用p指令檢視某個變量的資訊：
(gdb) p argc
$1 = 1
這裡隻是簡要介紹使用GDB調試Redis程式的方法，更多GDB的使用技巧有待讀者去研究。
當然，還可使用很多友善的源碼閱讀工具閱讀代碼。例如，Windows環境下有一款功能強大的IDE（內建開發環境）—Source Insight，内置C++代碼分析功能；同時能自動維護項目内的符号資料庫，非常友善。另外，Mac 平台下功能強大的 IDE（內建開發環境）—Understand具備代碼依賴、圖形化等實用功能。Linux環境下可以使用 Vim + Ctags 來閱讀代碼，其中Ctags 是Vim下閱讀代碼的一個輔助工具，可以生成函數、類、結構體、宏等文法結構的索引檔案，使用方法也非常簡單。讀者可以自行學習這些源碼閱讀工具的具體安裝教程，這裡不再贅述。
1.5 本章小結
本章首先介紹了Redis的發展曆程及Redis 5.0的新特性。然後重點講解了如何閱讀Redis源代碼，并簡單介紹了Redis源碼的安裝與調試方法，為讀者學習後續章節奠定基礎。