Redis 与 I/O 多路复用模型

常说 Redis 利用 I/O 多路复用，单线程处理来自许多客户端的网络请求。本文简单的从网络通信、I/O 模型、Redis 大致如何利用 I/O 多路复用模型了解下相关知识。

什么是 socket ？

• https://en.wikipedia.org/wiki/Network_socket
  

• https://docs.oracle.com/javase/tutorial/networking/sockets/definition.html
  

• https://man7.org/linux/man-pages/man2/socket.2.html
  

• https://www.geeksforgeeks.org/socket-programming-cc/#:~:text=Socket%20programming%20is%20a%20way,other%20to%20form%20a%20connection.
  

socket 网络模型的基本函数

• socket()，为了进行网络 I/O 通信，进程必须做的第一件事情就是调用 socket() 函数，指定期望的通信协议类型等。socket() 调用成功会返回一个非负整数值，称为 sockfd，一般称作特指 socket 的文件描述符。

• connect()，客户端通过调用 connect() 函数来请求连接。

• bind()，绑定 socket 和给定的地址和端口。如果服务端或者客户端没有调用 bind() 进行绑定，当调用 connect() 或 listen() 时，内核会为相应的 socket 选择一个临时端口。对于服务端来说，因为需要对外提供服务，所以服务端一般会主动调用 bind() 指定特定的端口和 socket 绑定来对外提供服务。

• listen()，当通过 socket() 创建一个新的 socket 时，一般这个 socket 被称为主动套接字，也就是说该套接字被看作可能调用 connect() 函数发起连接请求的。在向一个未连接的套接字调用 listen() 函数后，套接字转换为被动套接字，内核就知道应该接受指向该套接字的连接请求。

int listen(int sockfd, int backlog);

其中的第二个参数 backlog 定义了可以为当前套接字进行连接的最大队列数。也就是说，如果客户端连接请求到达时，该套接字的处理队列长度达到 backlog 时，返回 error。

• accept()，accept() 会从待处理连接队列头中取出连接请求，并在传入的第一个参数 sockfd 指向的监听套接字（或者说被动套接字）上创建一个新的已连接套接字，返回的 int 就是指向生成新套接字的 sockfd。原本的监听套接字不受影响。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

内核会为服务器对每个客户端的连接创建一个已连接套接字，且当服务结束后，相应的已连接套接字会被关闭（服务端的监听套接字一般持续存在）。

5 种 I/O 模型

https://notes.shichao.io/unp/ch6/#io-models

• 阻塞 I/O

• 非阻塞 I/O

• I/O 复用

• 信号驱动 I/O

• 异步 I/O

阻塞 I/O 模型

I/O 多路复用模型

在这个模型里，程序会阻塞在 select 调用上。select 函数允许程序同时监听多个 fd 的就绪状态。

select/poll/epoll, kqueue 等调用

• https://man7.org/linux/man-pages/man2/select.2.html
  

• https://en.wikipedia.org/wiki/Select_(Unix)
  

• ......

Redis 与 I/O 多路复用模型

通常我们说 Redis 采用单线程架构且提供高并发访问。这里说的单线程其实是指 Redis 对于命令执行和网络 I/O 处理采用单个主线程。但是像 bgsave 等功能其实会使用到其他进程。

（在 Redis 6.0 中，Redis 对网络请求模块采用了多线程处理）

Redis 采用 Client/Server 访问架构，需要同时处理许多来自外部客户端的请求， Redis Server 会为每个客户端在本地维护一个对应的 socket。Redis 通过统一封装不同支持 I/O 多路复用的系统函数供上层使用，比如 select/epoll，kqueue 等系统调用，在不同平台上提供服务。即 Redis 不阻塞在单一的 sockfd 读写等待上，而是同时监听多个 sockfd 的就绪状态，不断处理就绪可处理的 sockfd。

Redis - file event handler

具体来说，Redis 通过自己的文件事件处理器来实现相关的功能。

• I/O 多路复用程序同时监听多个 sockfd，当其中有 sockfd 准备就绪(产生对应的事件)，I/O 多路复用程序将就绪的 sockfd 放入准备好的队列，同步有序地一个一个将套接字给 file event dispatcher。

• file event dispatcher 根据传来的对应事件分配给对应的事件处理器进行处理。

总结

Redis 通过利用 I/O 多路复用模型，结合简洁的模块设置，让 Redis 在单线程架构的基础上同时为多个客户端提供服务。