KeyDB

KeyDB

众所周知 Redis 是一个单线程的 KV 内存存储系统,KeyDB 项目则是从 redis fork 出来的分支,在 100% 兼容 redis API 的情况下将 redis 改造成多线程模型。

线程模型

KeyDB 将 redis 原来的主线程拆分成了主线程和 worker 线程。每个 worker 线程都是 io 线程,负责监听端口,accept 请求,读取数据和解析协议。如图所示:

KeyDB 的多线程模型核心要点如下:

  • KeyDB 使用了 SO_REUSEPORT 特性,多个线程可以绑定监听同个端口。

  • 每个 worker 线程做了 cpu 绑核,读取数据也使用了 SO_INCOMING_CPU 特性,指定 cpu 接收数据。

  • 解析协议之后每个线程都会去操作内存中的数据,由一把全局锁来控制多线程访问内存数据。

主线程其实也是一个 worker 线程,包括了 worker 线程的工作内容,同时也包括只有主线程才可以完成的工作内容。在 worker 线程数组中下标为 0 的就是主线程。主线程的主要工作在实现 serverCron,包括:

  • 处理统计

  • 客户端链接管理

  • db 数据的 resize 和 reshard

  • 处理 AOF

  • Replication 主备同步

  • Cluster 模式下的任务

链接管理

在 redis 中所有链接管理都是在一个线程中完成的。在 KeyDB 的设计中,每个 worker 线程负责一组链接,所有的链接插入到本线程的链接列表中维护。链接的产生、工作、销毁必须在同个线程中。每个链接新增一个字段 int iel; /* the event loop index we're registered with */,用来表示链接属于哪个线程接管。

KeyDB 维护了三个关键的数据结构做链接管理:

  • clients_pending_write:线程专属的链表,维护同步给客户链接发送数据的队列

  • clients_pending_asyncwrite:线程专属的链表,维护异步给客户链接发送数据的队列

  • clients_to_close:全局链表,维护需要异步关闭的客户链接

分成同步和异步两个队列,是因为 redis 有些联动 api,比如 pub/sub,pub 之后需要给 sub 的客户端发送消息,pub 执行的线程和 sub 的客户端所在线程不是同一个线程,为了处理这种情况,KeyDB 将需要给非本线程的客户端发送数据维护在异步队列中。

同步发送的逻辑比较简单,都是在本线程中完成,以下图来说明如何同步给客户端发送数据:

一个链接的创建、接收数据、发送数据、释放链接都必须在同个线程执行。异步发送涉及到两个线程之间的交互。KeyDB 通过管道在两个线程中传递消息:

int fdCmdWrite; //写管道
int fdCmdRead; //读管道

本地线程需要异步发送数据时,先检查 client 是否属于本地线程,非本地线程获取到 client 专属的线程 ID,之后给专属的线程管到发送 AE_ASYNC_OP::CreateFileEvent 的操作,要求添加写 socket 事件。专属线程在处理管道消息时将对应的请求添加到写事件中,如图所示:

redis 有些关闭客户端的请求并非完全是在链接所在的线程执行关闭,所以在这里维护了一个全局的异步关闭链表。

锁机制

KeyDB 实现了一套类似 spinlock 的锁机制,称之为 fastlock。fastlock 的主要数据结构有:

struct ticket
{
uint16_t m_active; //解锁+1
uint16_t m_avail; //加锁+1
};
struct fastlock
{
volatile struct ticket m_ticket;
volatile int m_pidOwner; //当前解锁的线程id
volatile int m_depth; //当前线程重复加锁的次数
};

使用原子操作 __atomic_load_2,__atomic_fetch_add,__atomic_compare_exchange 来通过比较 m_active=m_avail 判断是否可以获取锁。fastlock 提供了两种获取锁的方式:

  • try_lock:一次获取失败,直接返回

  • lock:忙等,每 1024 * 1024 次忙等后使用 sched_yield 主动交出 cpu,挪到 cpu 的任务末尾等待执行。

在 KeyDB 中将 try_lock 和事件结合起来,来避免忙等的情况发生。每个客户端有一个专属的 lock,在读取客户端数据之前会先尝试加锁,如果失败,则退出,因为数据还未读取,所以在下个 epoll_wait 处理事件循环中可以再次处理。

Active-Replica

KeyDB 实现了多活的机制,每个 replica 可设置成可写非只读,replica 之间互相同步数据。主要特性有:

  • 每个 replica 有个 uuid 标志,用来去除环形复制

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

  • key,value 加上时间戳版本号,作为冲突校验,如果本地有相同的 key 且时间戳版本号大于同步过来的数据,新写入失败。采用当前时间戳向左移 20 位,再加上后 44 位自增的方式来获取 key 的时间戳版本号。