Redis的事件驅動模型是什麼

為什麼 Redis 不使用基本的 Socket 程式設計模型？

使用Socket 模型實現網路通訊時，需要經過建立Socket、監聽埠、處理連線和讀寫請求等多個步驟，現在我們就來具體了解下這些步驟中的關鍵操作，以此協助我們分析Socket 模型中的不足。

首先，當我們需要讓伺服器端和客戶端進行通訊時，可以在伺服器端透過以下三步，來建立監聽客戶端連線的監聽套接字（Listening Socket）：

• 呼叫socket 函數，建立一個套接字。一般情況下，我們將該套接字稱為主動套接字

• 呼叫bind 函數，將主動套接字和目前伺服器的IP 和監聽埠進行綁定；

• 呼叫listen 函數，將主動套接字轉換為監聽套接字，開始監聽客戶端的連線。

在完成上述三步驟之後，伺服器端就可以接收客戶端的連線請求了。為了能及時收到客戶端的連線請求，我們可以執行一個循環流程，在該流程中呼叫 accept 函數，用於接收客戶端連線請求。

這裡你需要注意的是，accept 函數是阻塞函數，也就是說，如果此時一直沒有客戶端連線請求，那麼，伺服器端的執行流程會一直阻塞在 accept 函數。一旦有客戶端連接請求到達，accept 將不再阻塞，而是處理連接請求，和客戶端建立連接，並傳回已連接套接字（Connected Socket）。

最後，伺服器端可以透過呼叫 recv 或 send 函數，在剛才傳回的已連接套接字上，接收並處理讀寫請求，或將資料傳送給客戶端。

程式碼：

listenSocket = socket(); //调用socket系统调用创建一个主动套接字
bind(listenSocket); //绑定地址和端口
listen(listenSocket); //将默认的主动套接字转换为服务器使用的被动套接字，也就是监听套接字
while(1) { //循环监听是否有客户端连接请求到来
connSocket = accept(listenSocket);//接受客户端连接
recv(connSocket);//从客户端读取数据，只能同时处理一个客户端
send(connSocket);//给客户端返回数据，只能同时处理一个客户端
}

不過，從上述程式碼中，你可能會發現，雖然它能夠實現伺服器端和客戶端之間的通信，但是程式每調用一次accept 函數，只能處理一個客戶端連線。因此，如果想要處理多個並發客戶端的請求，我們就需要使用多線程，來處理透過 accept 函數建立的多個客戶端連接上的請求。

使用這種方法後，我們需要在accept 函數返回已連接套接字後，創建一個線程，並將已連接套接字傳遞給創建的線程，由該線程負責這個連接套接字上後續的數據讀寫。同時，伺服器端的執行流程會再次呼叫 accept 函數，等待下一個客戶端連線。

多執行緒：

listenSocket = socket(); //调用socket系统调用创建一个主动套接字
bind(listenSocket); //绑定地址和端口
listen(listenSocket); //将默认的主动套接字转换为服务器使用的被动套接字，也就是监听套接字
while(1) { //循环监听是否有客户端连接请求到来
connSocket = accept(listenSocket);//接受客户端连接
pthread_create(processData, connSocket);//创建新线程对已连接套接字进行处理
}

processData(connSocket){
recv(connSocket);//从客户端读取数据，只能同时处理一个客户端
send(connSocket);//给客户端返回数据，只能同时处理一个客户端
}

雖然這個方法能提升伺服器端的同時處理能力，但是，Redis 的主執行流程是由一個執行緒在執行，無法使用多執行緒的方式來提升並發處理能力。所以，該方法對redis並不起作用。

還有沒有其他方法，能幫助 Redis 提升並發客戶端的處理能力呢？這就要用到作業系統提供的IO多工功能。在基本的 Socket 程式設計模型中，accept 函數只能在一個監聽套接字上監聽客戶端的連接，recv 函數也只能在一個已連接套接字上，等待客戶端發送的請求。

因為 Linux 作業系統在實際應用上比較廣泛，所以這堂課，我們主要來學習 Linux 上的 IO 多路復用機制。 select、poll以及epoll是Linux所提供的IO多路復用機制的三種主要形式。下面，我們就分別來學習下這三種機制的實作想法和使用方法。接下來，我們再探討為什麼 Redis 常常選擇使用 epoll 機制來實作網路通訊。

select 和 poll 機制實作 IO 多路復用

首先，我們來了解下 select 機制的程式設計模型。

不過在具體學習之前，我們需要知道，對於一種 IO 多路復用機制來說，我們需要掌握哪些要點，這樣可以幫助我們快速抓住不同機制的聯繫與區別。其實，當我們學習 IO 多工機制時，我們需要能回答以下問題：第一，多工機制會監聽套接字上的哪些事件？第二，多工機制可以監聽多少個套接字？第三，當有套接字就緒時，多路復用機制如何找到就緒的套接字？

select機制

select 機制中的一個重要函數就是 select 函數。對於 select 函數來說，它的參數包括監聽的檔案描述符數量__nfds、、被監聽描述符的三個集合readfds、writefds、exceptfds，以及監聽時阻塞等待的逾時時長timeout。 select函數原型：

int select(int __nfds, fd_set *__readfds, fd_set *__writefds, fd_set *__exceptfds, struct timeval *__timeout)

這裡你需要注意的是，Linux 針對每一個套接字都會有一個檔案描述符，也就是一個非負整數，用來唯一標識該套接字。在多路復用機制的函數中，通常使用檔案描述符作為參數，這是 Linux 的常見做法。函數透過檔案描述子找到對應的套接字，從而實現監聽、讀寫等操作。

select函數的三個參數指定了需要監視的檔案描述子集合，實際上代表了需要監視的套接字集合。那麼，為什麼會有三個集合呢？

关于刚才提到的第一个问题，即多路复用机制监听的套接字事件有哪些。select 函数使用三个集合，表示监听的三类事件，分别是读数据事件，写数据事件，异常事件。

我们进一步可以看到，参数 readfds、writefds 和 exceptfds 的类型是 fd_set 结构体，它主要定义部分如下所示。其中，fd_mask类型是 long int 类型的别名，__FD_SETSIZE 和 __NFDBITS 这两个宏定义的大小默认为 1024 和 32。

所以，fd_set 结构体的定义，其实就是一个 long int 类型的数组，该数组中一共有 32 个元素（1024/32=32），每个元素是 32 位（long int 类型的大小），而每一位可以用来表示一个文件描述符的状态。了解了 fd_set 结构体的定义，我们就可以回答刚才提出的第二个问题了。每个描述符集合都可以被 select 函数监听 1024 个描述符。

如何使用 select 机制来实现网络通信

首先，我们在调用 select 函数前，可以先创建好传递给 select 函数的描述符集合，然后再创建监听套接字。而为了让创建的监听套接字能被 select 函数监控，我们需要把这个套接字的描述符加入到创建好的描述符集合中。

接下来，我们可以使用 select 函数并传入已创建的描述符集合作为参数。程序在调用 select 函数后，会发生阻塞。一旦 select 函数检测到有就绪的描述符，会立即终止阻塞并返回已就绪的文件描述符数。

那么此时，我们就可以在描述符集合中查找哪些描述符就绪了。然后，我们对已就绪描述符对应的套接字进行处理。比如，如果是 readfds 集合中有描述符就绪，这就表明这些就绪描述符对应的套接字上，有读事件发生，此时，我们就在该套接字上读取数据。

而因为 select 函数一次可以监听 1024 个文件描述符的状态，所以 select 函数在返回时，也可能会一次返回多个就绪的文件描述符。我们可以使用循环处理流程，对每个就绪描述符对应的套接字依次进行读写或异常处理操作。

select函数有两个不足

• 首先，select 函数对单个进程能监听的文件描述符数量是有限制的，它能监听的文件描述符个数由 __FD_SETSIZE 决定，默认值是 1024。

• 其次，当 select 函数返回后，我们需要遍历描述符集合，才能找到具体是哪些描述符就绪了。这个遍历过程会产生一定开销，从而降低程序的性能。

poll机制

poll 机制的主要函数是 poll 函数，我们先来看下它的原型定义，如下所示：

int poll(struct pollfd *__fds, nfds_t __nfds, int __timeout)

其中，参数 *__fds 是 pollfd 结构体数组，参数 __nfds 表示的是 *__fds 数组的元素个数，而 __timeout 表示 poll 函数阻塞的超时时间。

pollfd 结构体里包含了要监听的描述符，以及该描述符上要监听的事件类型。从 pollfd 结构体的定义中，我们可以看出来这一点，具体如下所示。pollfd 结构体中包含了三个成员变量 fd、events 和 revents，分别表示要监听的文件描述符、要监听的事件类型和实际发生的事件类型。

pollfd 结构体中要监听和实际发生的事件类型，是通过以下三个宏定义来表示的，分别是 POLLRDNORM、POLLWRNORM 和 POLLERR，它们分别表示可读、可写和错误事件。

了解了 poll 函数的参数后，我们来看下如何使用 poll 函数完成网络通信。这个流程主要可以分成三步：

• 第一步，创建 pollfd 数组和监听套接字，并进行绑定；

• 第二步，将监听套接字加入 pollfd 数组，并设置其监听读事件，也就是客户端的连接请求；

• 第三步，循环调用 poll 函数，检测 pollfd 数组中是否有就绪的文件描述符。

而在第三步的循环过程中，其处理逻辑又分成了两种情况：

• 如果是连接套接字就绪，这表明是有客户端连接，我们可以调用 accept 接受连接，并创建已连接套接字，并将其加入 pollfd 数组，并监听读事件；

• 如果是已连接套接字就绪，这表明客户端有读写请求，我们可以调用 recv/send 函数处理读写请求。

其实，和 select 函数相比，poll 函数的改进之处主要就在于，它允许一次监听超过 1024 个文件描述符。但是当调用了 poll 函数后，我们仍然需要遍历每个文件描述符，检测该描述符是否就绪，然后再进行处理。

epoll機制

首先，epoll 機制是使用 epoll_event 結構體，來記錄待監聽的文件描述符及其監聽的事件類型的，這和 poll 機制中使用 pollfd 結構體比較類似。

那麼，對於 epoll_event 結構體來說，其中包含了 epoll_data_t 聯合體變量，以及整數類型的 events 變數。 epoll_data_t 聯合體中有記錄檔案描述子的成員變數fd，而events 變數會取值使用不同的巨集定義值，來表示epoll_data_t 變數中的檔案描述子所關注的事件類型，例如一些常見的事件類型包括以下這幾種。

• EPOLLIN：讀取事件，表示檔案描述子對應套接字有資料可讀。

• EPOLLOUT：寫事件，表示檔案描述子對應套接字有資料要寫。

• EPOLLERR：錯誤事件，表示檔案描述子對於套接字出錯。

在使用 select 或 poll 函數的時候，建立好檔案描述子集合或 pollfd 陣列後，就可以往數組中加入我們需要監聽的檔案描述子。

但對於 epoll 機制來說，我們需要先呼叫 epoll_create 函數，建立一個 epoll 實例。這個 epoll 實例內部維護了兩個結構，分別是記錄要監聽的檔案描述符和已經就緒的檔案描述符，，而對於已經就緒的檔案描述符來說，它們會被傳回給使用者程式處理。

所以，我們在使用 epoll 機制時，就不用像使用 select 和 poll 一樣，遍歷查詢哪些檔案描述子已經就緒了。因此，epoll 的效率比 select 和 poll 更高。

在建立了 epoll 實例後，我們需要再使用 epoll_ctl 函數，為被監聽的檔案描述子新增監聽事件類型，以及使用 epoll_wait 函數取得就緒的檔案描述子。

了解了 epoll 函數的使用方法了。實際上，也正是因為epoll 能自訂監聽的描述符數量，以及可以直接返回就緒的描述符，Redis 在設計和實現網路通訊框架時，就基於epoll 機制中的epoll_create、epoll_ctl 和epoll_wait 等函數和讀寫事件，進行了封裝開發，實現了用於網路通訊的事件驅動框架，從而使得Redis 雖然是單執行緒運行，但是仍然能高效應對高並發的客戶端存取。

Reactor 模型的工作機制

Reactor 模型就是網路伺服器端用來處理高並發網路IO 請求的一種程式設計模型，模型特徵：

• 三類處理事件，即連接事件、寫事件、讀取事件；

• 三個關鍵角色，即reactor、acceptor、handler。

Reactor 模型處理的是客戶端和伺服器端的互動過程，而這三類事件正好對應了客戶端和伺服器端互動過程中，不同類別請求在伺服器端引發的待處理事件：

• 當一個客戶端要和伺服器端進行交互時，客戶端會向伺服器端發送連接請求，以建立連接，這就對應了伺服器端的一個鏈接事件

• 一旦連線建立後，客戶端會給伺服器端發送讀取請求，以便讀取資料。伺服器端在處理讀取請求時，需要向客戶端寫回數據，這對應了伺服器端的寫事件

• 無論客戶端給伺服器端發送讀取或寫入請求，伺服器端都需要從客戶端讀取請求內容，所以在這裡，讀取或寫入請求的讀取就對應了伺服器端的讀取事件

三個關鍵角色：

• #首先，連線事件由acceptor 來處理，負責接收連線；acceptor 在接收連線後，會建立handler，用於網路連線上對後續讀寫事件的處理；

• 其次，讀寫事件由handler 處理；

• 最後，在高並發場景中，連結事件、讀寫事件會同時發生，所以，我們需要有一個角色專門監聽和分配事件，這就是reactor 角色。當有連線請求時，reactor 將產生的連線事件交由 acceptor 處理；當有讀寫請求時，reactor 將讀寫事件交由 handler 處理。

那麼，現在我們已經知道，這三個角色是圍繞著事件的監聽、轉發和處理來進行互動的，那麼在程式設計時，我們又該如何實現這三者的交互呢？這就離不開事件驅動。

實作 Reactor 模型時，需要編寫的總體程式碼控制邏輯，稱為事件驅動框架。事件驅動框架由兩個部分組成：事件初始化和事件捕獲、分流及處理的主循環。簡而言之。

事件初始化是在伺服器程式啟動時就執行的，它的作用主要是建立需要監聽的事件類型，以及該類別事件對應的 handler。而一旦伺服器完成初始化後，事件初始化也就相應完成了，伺服器程式就需要進入事件擷取、分發和處理的主循環。

用while迴圈來當作這個主迴圈。然後在這個主循環中，我們需要捕捉發生的事件、判斷事件類型，並根據事件類型，呼叫在初始化時建立好的事件 handler 來實際處理事件。

比如說，當有連線事件發生時，伺服器程式需要呼叫 acceptor 處理函數，建立和客戶端的連線。而當有讀事件發生時，就表示有讀或寫請求發送到了伺服器端，伺服器程式就要調用具體的請求處理函數，從客戶端連線中讀取請求內容，進而完成了讀取事件的處理。

Reactor 模型的基本工作機制：客戶端的不同類別請求會在伺服器端觸發連線、讀取、寫三類事件，這三類事件的監聽、分發和處理又是由reactor、acceptor、handler三類角色來完成的，然後這三類角色會透過事件驅動框架來實現互動和事件處理。

以上是Redis的事件驅動模型是什麼的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！