又一款記憶體資料庫橫空出世，比 Redis 更強，效能直接飆升一倍！殺瘋了

民工哥發表於2023-03-10
記憶體資料庫Redis

什麼是 KeyDB？

KeyDB是Redis的高效能分支，專注於多執行緒，記憶體效率和高吞吐量。除了多執行緒之外，KeyDB還具有僅在Redis Enterprise中可用的功能，例如Active Replication，FLASH儲存支援以及一些根本不可用的功能，例如直接備份到AWS S3。

KeyDB與Redis協議，模組和指令碼保持完全相容性。這包括指令碼和事務的原子性保證。由於KeyDB與Redis開發保持同步，因此KeyDB是Redis功能的超集，從而使KeyDB取代了現有Redis部署。

在相同的硬體上，KeyDB每秒可以執行的查詢數量是Redis的兩倍，而延遲卻降低了60％。Active-Replication簡化了熱備用故障轉移，使您可以輕鬆地在副本上分配寫操作並使用基於TCP的簡單負載平衡/故障轉移。KeyDB的高效能可讓您在更少的硬體上做更多的事情，從而降低了運營成本和複雜性。圖片圖片在此處檢視完整的基準測試結果和設定資訊：

走進 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。

專案git地址：

網上公開的技術細節比較少，本文基本是透過閱讀原始碼總結出來的，如有錯漏之處歡迎指正。

多執行緒架構

執行緒模型

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：圖片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

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：圖片如上文所提到的，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：圖片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。圖片

鎖機制

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。

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。圖片

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。

文件

感謝閱讀，希望對你有所幫助 :)

來源：又一款記憶體資料庫橫空出世，比 Redis 更強，效能直接飆升一倍！

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