比Redis快5倍的中介軟體，究竟為什麼這麼快？

來自：雲棲社群

作者：羽洵

原文：

今天給大家介紹的是KeyDB，KeyDB專案是從Redis fork出來的分支。眾所周知Redis是一個單執行緒的kv記憶體儲存系統，而KeyDB在100%相容Redis API的情況下將Redis改造成多執行緒。

上次也跟大家說了，Redis多執行緒正式版將在今年底釋出，大家拭目以待。

執行緒模型

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KeyDB將Redis原來的主執行緒拆分成了主執行緒和worker執行緒。每個worker執行緒都是io執行緒，負責監聽埠，accept請求，讀取資料和解析協議。如圖所示：

KeyDB使用了SO_REUSEPORT特性，多個執行緒可以繫結監聽同個埠。

每個worker執行緒做了cpu綁核，讀取資料也使用了SO_INCOMING_CPU特性，指定cpu接收資料。

解析協議之後每個執行緒都會去操作記憶體中的資料，由一把全域性鎖來控制多執行緒訪問記憶體資料。

主執行緒其實也是一個worker執行緒，包括了worker執行緒的工作內容，同時也包括只有主執行緒才可以完成的工作內容。在worker執行緒陣列中下標為0的就是主執行緒。

主執行緒的主要工作在實現serverCron，包括：

• 處理統計

• 客戶端連結管理

• db資料的resize和reshard

• 處理aof

• replication主備同步

• cluster模式下的任務

連結管理

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在Redis中所有連結管理都是在一個執行緒中完成的。在KeyDB的設計中，每個worker執行緒負責一組連結，所有的連結插入到本執行緒的連結列表中維護。連結的產生、工作、銷燬必須在同個執行緒中。每個連結新增一個欄位

int iel; /* the event loop index we're registered with */

用來表示連結屬於哪個執行緒接管。

KeyDB維護了三個關鍵的資料結構做連結管理：

• clients_pending_write：執行緒專屬的連結串列，維護同步給客戶連結傳送資料的佇列

• clients_pending_asyncwrite：執行緒專屬的連結串列，維護非同步給客戶連結傳送資料的佇列

• clients_to_close：全域性連結串列，維護需要非同步關閉的客戶連結

分成同步和非同步兩個佇列，是因為redis有些聯動api，比如pub/sub，pub之後需要給sub的客戶端傳送訊息，pub執行的執行緒和sub的客戶端所線上程不是同一個執行緒，為了處理這種情況，KeyDB將需要給非本執行緒的客戶端傳送資料維護在非同步佇列中。

同步傳送的邏輯比較簡單，都是在本執行緒中完成，以下圖來說明如何同步給客戶端傳送資料：

如上文所提到的，一個連結的建立、接收資料、傳送資料、釋放連結都必須在同個執行緒執行。非同步傳送涉及到兩個執行緒之間的互動。KeyDB透過管道在兩個執行緒中傳遞訊息：

int fdCmdWrite; //寫管道

int fdCmdRead; //讀管道

本地執行緒需要非同步傳送資料時，先檢查client是否屬於本地執行緒，非本地執行緒獲取到client專屬的執行緒ID，之後給專屬的執行緒管到傳送AE_ASYNC_OP::CreateFileEvent的操作，要求新增寫socket事件。專屬執行緒在處理管道訊息時將對應的請求新增到寫事件中，如圖所示：

Redis有些關閉客戶端的請求並非完全是在連結所在的執行緒執行關閉，所以在這裡維護了一個全域性的非同步關閉連結串列。

鎖機制

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KeyDB實現了一套類似spinlock的鎖機制，稱之為fastlock。

fastlock的主要資料結構有：

struct ticket

{

 uint16_t m_active; //解鎖+1

 uint16_t m_avail; //加鎖+1

};

struct fastlock

{

 volatile struct ticket m_ticket;

 volatile int m_pidOwner; //當前解鎖的執行緒id

 volatile int m_depth; //當前執行緒重複加鎖的次數

};

使用原子操作__atomic_load_2，__atomic_fetch_add，__atomic_compare_exchange來透過比較m_active=m_avail判斷是否可以獲取鎖。

fastlock提供了兩種獲取鎖的方式：

• try_lock：一次獲取失敗，直接返回

• lock：忙等，每1024 * 1024次忙等後使用sched_yield 主動交出cpu，挪到cpu的任務末尾等待執行。

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在KeyDB中將try_lock和事件結合起來，來避免忙等的情況發生。每個客戶端有一個專屬的lock，在讀取客戶端資料之前會先嚐試加鎖，如果失敗，則退出，因為資料還未讀取，所以在下個epoll_wait處理事件迴圈中可以再次處理。

Active-Replica

KeyDB實現了多活的機制，每個replica可設定成可寫非只讀，replica之間互相同步資料。主要特性有：

• 每個replica有個uuid標誌，用來去除環形複製

• 新增加rreplay API，將增量命令打包成rreplay命令，帶上本地的uuid

• key，value加上時間戳版本號，作為衝突校驗，如果本地有相同的key且時間戳版本號大於同步過來的資料，新寫入失敗。採用當前時間戳向左移20位，再加上後44位自增的方式來獲取key的時間戳版本號。