Redis-网络模型

参考资料 ：极客时间 Redis（亚风）

前置知识

系统隔离
为了避免⽤户应⽤导致冲突甚⾄内核崩溃，⽤户应⽤与内核是分离的：
进程的寻址空间会划分为两部分：内核空间、⽤户空间
• ⽤户空间只能执⾏受限的命令（Ring3），⽽且不能直接调⽤系统资源，必
须通过内核提供的接⼝来访问
• 内核空间可以执⾏特权命令（Ring0)，调⽤⼀切系统资源

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缓冲区
Linux系统为了提⾼IO效率，会在⽤户空间和内核空间都加⼊缓冲区：
• 写数据时，要把⽤户缓冲数据拷⻉到内核缓冲区，然后写⼊设备
• 读数据时，要从设备读取数据到内核缓冲区，然后拷⻉到⽤户缓冲区
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这里的数据交互采用不同的模型就会有不同的性能，因而也诞生了一些网络IO模型。

IO模型

阻塞IO

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非阻塞IO

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⽆论是阻塞IO还是⾮阻塞IO，⽤户应⽤在⼀阶段都需要调⽤recvfrom来获取数据，差别在于⽆数据时的理⽅案：
• 如果调⽤recvfrom时，恰好没有数据，阻塞IO会使进程阻塞，⾮阻塞IO使CPU空转，都不能充分发挥CPU的作⽤。
• 如果调⽤recvfrom时，恰好有数据，则⽤户进程可以直接进⼊第⼆阶段，读取并处理数据。

IO多路复用

文件表述符的概念

⽂件描述符（File Descriptor）：简称FD，是⼀个从0开始递增的⽆符号整数，⽤来关联Linux中的⼀个⽂件。在Linux中，⼀切皆⽂件，例如常规⽂件、视频、硬件设备等，当然也包括⽹络套接字 (Socket)。
IO多路复⽤：是利⽤单个线程来同时监听多个FD，并在某个FD可读、可写时得到通知，从⽽避免⽆效的等待，充分利⽤CPU资源。

区间听FD有三种实现方式

1 select
Sekect的结构

typedef struct {
    
    
	// ⻓度为 1024/32 = 32
	// 共1024个bit位，每个bit位代表⼀个fd，0代表未就绪，1代表就绪
	int fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS]；
} fd_set；
// select函数，⽤于监听多个fd的集合
int select(
int nfds，//要监视的fd_set的最⼤fd + 1
fd_set *readfds, //要监听读事件的fd集合
fd_set *writefds, // 要监听写事件的fd集合
fd_set *exceptfds，// 要监听异常事件的fd集合
//超时时间，null-永不超时；0-不阻塞等待；⼤于0-固定等待时间
struct timeval *timeout);

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select模式存在的问题：
• 需要将整个fd_set从⽤户空间拷⻉到内核空间，select结束还要再次拷⻉回⽤户空间
• select⽆法得知具体是哪个fd就绪，需要遍历整个fd_set
• fd_set监听的fd数量不能超过1024（因为32个int,每个int 4 * 8 32 位）总共1024位。
2 poll

#define POLLIN //可读事件
#define POLLOUT //可写事件
#define POLLERR //错误事件
// pollfd结构
struct pollfd {
    
    
    int fd; //要监听的fd
    short int events；/*要监听的事件类型：读、写、异常*/
    short int revents;/* 实际发⽣的事件类型*/
}；
// poll函数
int poll(
struct pollfd *fds，// pollfd数组，可以⾃定义⼤⼩
nfds_t nfds, //数组元素个数
int timeout) // 超时时间

1 ）创建pollfd数组，向其中添加关注的fd信息
2 ）调⽤poll函数，将pollfd数组拷⻉到内核空间，转链表存储（内核要求转换为链表）
3 ）内核遍历fd，判断是否就绪
4 ）数据就绪或超时后，拷⻉pollfd数组到⽤户空间，返回就绪fd数量n
5 ）判断n是否⼤于0，⼤于0则遍历pollfd数组，找到就绪的fd

与select对⽐：

整体过程和Select大同小异。结构优化了一些，但是还是需要遍历fd_set.

select模式中的fd_set⼤⼩固定为1024，⽽pollfd⽆上限，监听FD越多，每次遍历消耗时间也越久，性能反⽽会下降。

3 epoll

struct eventpoll {
    
    

    struct rb_root rbr；//红⿊树，记录要监听的FD

    struct list_head rdlist;// 链表，记录就绪的FD

}；

//1.会在内核创建eventpoll结构体，返回对应的句柄epfd

int epoll_create(int size)；

//2.将⼀个FD添加到epoll的红⿊树中，并设置ep_poll_callback

// callback触发时，就把对应的FD加⼊到rdlist这个就绪列表中

int epoll_ctl(

    int epfd, // epoll实例的句柄

    int op, //要执⾏的操作，包括：ADD、 MOD、 DEL

    int fd，//要监听的FD

    struct epoll_event *event // 要监听的事件类型：读、写、异常等

)；

//3.循环检查rdlist列表是否为空，不为空则返回就绪的FD的数量

int epoll_wait(

int epfd,

struct epoll_event *events, //event数组，⽤于接收就绪的FD 属于用户空间

int maxevents, // events数组的最⼤⻓度

int timeout //超时时间，-1不超时；0不阻塞；⼤于0为阻塞时间)；
    )