《Redis设计与实现》[第二部分]单机数据库的实现-C源码阅读

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了《Redis设计与实现》[第二部分]单机数据库的实现-C源码阅读相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

1、数据库

关键字:键空间,过期,删除策略

数据结构源码

//redisServer中属性太多,篇幅限制,故只列本章描述相关的属性
struct redisServer 
    //...
    // 数据库
                //一个数组,保存着服务器中的所有数据库
    redisDb *db;
    // 服务器的数据库数量
    int dbnum;          
    //..
 ;

Redis服务器将所有数据库都保存在服务器状态redis.h/redisServer结构的db数组中,db数组的每个项都是一个redis.h/redisDb结构,每个redisDb结构代表一个数据库。

dbnum属性的值由服务器配置的database项决定,默认为16,所以Redis服务器默认会创建16个数据库。

/* Redis database representation. There are multiple databases identified
 * by integers from 0 (the default database) up to the max configured
 * database. The database number is the 'id' field in the structure. */
typedef struct redisDb 

    // 数据库键空间,保存着数据库中的所有键值对
    dict *dict;                 /* The keyspace for this DB */

    // 键的过期时间,字典的键为键,字典的值为过期事件 UNIX 时间戳
            //过期字典,保存着键的过期时间
    dict *expires;              /* Timeout of keys with a timeout set */

    // 正处于阻塞状态的键
    dict *blocking_keys;        /* Keys with clients waiting for data (BLPOP) */

    // 可以解除阻塞的键
    dict *ready_keys;           /* Blocked keys that received a PUSH */

    // 正在被 WATCH 命令监视的键
    dict *watched_keys;         /* WATCHED keys for MULTI/EXEC CAS */

    struct evictionPoolEntry *eviction_pool;    /* Eviction pool of keys */

    // 数据库号码
    int id;                     /* Database ID */

    // 数据库的键的平均 TTL ,统计信息
    long long avg_ttl;          /* Average TTL, just for stats */

 redisDb;

每个Redis客户端都有自己的目标数据库,客户端执行读写命令之前会先切换到目标数据库,默认为0号数据库。

客户端可以通过select命令切换目标数据库。

typedef struct redisClient
    //..
    //记录客户端当前正在使用的数据库
    redisDb *db;
    //..
 redisClient;

db属性是一个指向redisDb结构的指针,指向redisServer.db数组的其中一个元素,记录了客户端当前的目标数据库。

目前为止,Redis中没有可以返回客户端目标数据库的命令,为免误操作,再执行写命令之前,最好先执行一个select命令,显式切换到指定数据库。

typedef struct redisDb
    //..
    // 数据库键空间是一个字典,保存着数据库中的所欲键值对
    dict *dict;
    //..
redisDb;

键空间和用户所见的数据库是直接对应的:

  • 键空间的键就是数据库的键,每个键都是一个字符串对象
  • 键空间的值就是数据库的值,每个值可以是字符串对象、列表对象、哈希表对象、集合对象和有序集合对象中的任意一种Redis对象

使用Redis命令对数据库进行读写时,服务器不仅会对键空间执行指定的读写操作,还会执行一些额外的维护操作,包括:

  • 读取一个键后(读操作和写操作都要对键进行读取),服务器会根据键是否存在来更新服务器的键空间命中(hit)次数或键空间不命中(miss)次数,这两个值可以在info stats命令的keyspace_hits属性和keyspace_misses属性中查看

  • 在读取一个键之后,服务器会更新键的LRU(最后一次使用)时间,该值用于计算键的闲置时间,使用Object idletime 命令可以查看键key的闲置时间

  • 如果服务器在读取一个键时发现该键已经过期,那么服务器会先删除这个过期键,然后才执行余下的其他操作

  • 如果有客户端使用watch命令监视了某个键,那么服务器在对被监视的键进行修改之后,会将这个键标记为脏(dirty),从而让事务程序注意到这个键已经被修改过

  • 服务器每次修改一个键之后,都会对脏(dirty)键计数器的值增1,这个计数器会触发服务器的持久化与复制操作
  • 如果服务器开启了数据库通知功能,那么在对键进行修改之后,服务器将按配置发送相应的数据库通知。

生存与过期

通过expire与pexpire命令,客户端可以以秒或毫秒精度为数据库中的某个键设置生存时间(Time To Live,TTL),在经过指定的秒数或者毫秒数之后,服务器就会自动删除生存时间为0的键

TTL命令与PTTL命令接受一个带有生存时间或过期时间的键,返回这个键的剩余生存时间,即,返回距离这个键被服务器自动删除还有多长时间

typedef struct redisDb
    //..
    // 过期字典,保存键的过期时间
    dict *expires;
    //..
redisDb;

redisDb结构的expires字典保存了数据库中所有键的过期时间,即过期字典:

  • 过期字典的键是一个指针,这个指针指向键空间的某个键对象(即某个数据库键)
  • 过期字典的值是一个long long类型的整数,这个整数保存了键所指向的数据库键的过期时间————一个毫秒精度的UNIX时间戳

通过过期字典,检查给定键是否过期:

  1. 检查给定键是否存在于过期字典,若存在,那么取得键的过期时间
  2. 检查当前UNIX时间戳是否大于键的过期时间:若是,则键已过期,否则未过期

过期键删除策略

  • 定时删除:在设置键的过期时间的同时,创建一个定时器(timer),让定时器在键的过期时间来临时,立即执行对键的删除操作
    • 让服务器创建大量定时器,实现定时删除策略,占用大量CPU时间,影响服务器的响应时间和吞吐量
  • 惰性删除:放任过期键不管,每次从键空间取键时,检查所取键是否过期,如果过期,删除该键,若没有过期,返回该键
    • 不主动释放过期键,会造成内存的浪费,有内存泄漏的危险
  • 定期删除:每隔一段时间,程序对数据库进行依次检查,删除数据库里的过期键。
    • 难点在于确定删除操作执行的时长和频率

Redis服务器实际使用的是惰性删除和定期删除两种策略:

通过配合使用这两种删除策略,服务器可以很好的在合理使用CPU时间和避免浪费内存空间之间取得平衡。

过期删除函数

过期键的惰性删除策略由db.c/expireIfNeeded函数实现。

/*
 * 检查 key 是否已经过期,如果是的话,将它从数据库中删除。
 *
 * 返回 0 表示键没有过期时间,或者键未过期。
 *
 * 返回 1 表示键已经因为过期而被删除了。
 */
int expireIfNeeded(redisDb *db, robj *key) 

    // 取出键的过期时间
    mstime_t when = getExpire(db,key);
    mstime_t now;

    // 没有过期时间
    if (when < 0) return 0; /* No expire for this key */

    /* Don't expire anything while loading. It will be done later. */
    // 如果服务器正在进行载入,那么不进行任何过期检查
    if (server.loading) return 0;

    /* If we are in the context of a Lua script, we claim that time is
     * blocked to when the Lua script started. This way a key can expire
     * only the first time it is accessed and not in the middle of the
     * script execution, making propagation to slaves / AOF consistent.
     * See issue #1525 on Github for more information. */
    now = server.lua_caller ? server.lua_time_start : mstime();

    /* If we are running in the context of a slave, return ASAP:
     * the slave key expiration is controlled by the master that will
     * send us synthesized DEL operations for expired keys.
     *
     * Still we try to return the right information to the caller, 
     * that is, 0 if we think the key should be still valid, 1 if
     * we think the key is expired at this time. */
    // 当服务器运行在 replication 模式时
    // 附属节点并不主动删除 key
    // 它只返回一个逻辑上正确的返回值
    // 真正的删除操作要等待主节点发来删除命令时才执行
    // 从而保证数据的同步
    if (server.masterhost != NULL) return now > when;

    // 运行到这里,表示键带有过期时间,并且服务器为主节点

    /* Return when this key has not expired */
    // 如果未过期,返回 0
    if (now <= when) return 0;

    /* Delete the key */
    server.stat_expiredkeys++;

    // 向 AOF 文件和附属节点传播过期信息
    propagateExpire(db,key);

    // 发送事件通知
    notifyKeyspaceEvent(REDIS_NOTIFY_EXPIRED,
        "expired",key,db->id);

    // 将过期键从数据库中删除
    return dbDelete(db,key);

所有读写数据库的Redis命令在执行之前都会调用该函数对输入键检查:

  • 如果输入键已经过期,那么expireIfNeeded函数将输入键从数据库中删除
  • 如果输入键未过期,那么expireIfNeeded函数不做操作

定期删除函数

过期键的定期删除策略由redis.c/activeExpireCycle函数实现。
每当Redis的服务器周期性操作redis.c/serverCron函数执行时,actieExpireCycle函数就会被调用,它在规定的时间内,分多次遍历服务器中的各个数据库,从数据库的expires字典中随机检查一部分键的过期时间,并删除其中的过期键。

activeExpireCycle函数的工作模式总结如下:

  • 函数每次运行时,都从一定数量的数据库中取出一定数量的随机键进行检查,并删除其中的过期键
  • 全局变量current_db会记录当前activeExpireCycle函数检查的进度,并在下一次activeExpireCycle函数调用时,接着上一次的进度进行处理。
  • 随着activeExpireCycle函数的不断执行,服务器中所有数据库都会被检查一遍,这时函数将current_db变量重置为0,然后再次开始新一轮的检查工作
/* Try to expire a few timed out keys. The algorithm used is adaptive and
 * will use few CPU cycles if there are few expiring keys, otherwise
 * it will get more aggressive to avoid that too much memory is used by
 * keys that can be removed from the keyspace.
 *
 * 函数尝试删除数据库中已经过期的键。
 * 当带有过期时间的键比较少时,函数运行得比较保守,
 * 如果带有过期时间的键比较多,那么函数会以更积极的方式来删除过期键,
 * 从而可能地释放被过期键占用的内存。
 *
 * No more than REDIS_DBCRON_DBS_PER_CALL databases are tested at every
 * iteration.
 *
 * 每次循环中被测试的数据库数目不会超过 REDIS_DBCRON_DBS_PER_CALL 。
 *
 * This kind of call is used when Redis detects that timelimit_exit is
 * true, so there is more work to do, and we do it more incrementally from
 * the beforeSleep() function of the event loop.
 *
 * 如果 timelimit_exit 为真,那么说明还有更多删除工作要做,
 * 那么在 beforeSleep() 函数调用时,程序会再次执行这个函数。
 *
 * Expire cycle type:
 *
 * 过期循环的类型:
 *
 * If type is ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST the function will try to run a
 * "fast" expire cycle that takes no longer than EXPIRE_FAST_CYCLE_DURATION
 * microseconds, and is not repeated again before the same amount of time.
 *
 * 如果循环的类型为 ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST ,
 * 那么函数会以“快速过期”模式执行,
 * 执行的时间不会长过 EXPIRE_FAST_CYCLE_DURATION 毫秒,
 * 并且在 EXPIRE_FAST_CYCLE_DURATION 毫秒之内不会再重新执行。
 *
 * If type is ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW, that normal expire cycle is
 * executed, where the time limit is a percentage of the REDIS_HZ period
 * as specified by the REDIS_EXPIRELOOKUPS_TIME_PERC define. 
 *
 * 如果循环的类型为 ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW ,
 * 那么函数会以“正常过期”模式执行,
 * 函数的执行时限为 REDIS_HS 常量的一个百分比,
 * 这个百分比由 REDIS_EXPIRELOOKUPS_TIME_PERC 定义。
 */

void activeExpireCycle(int type) 
    /* This function has some global state in order to continue the work
     * incrementally across calls. */
    // 静态变量,用来累积函数连续执行时的数据
    static unsigned int current_db = 0; /* Last DB tested. */
    static int timelimit_exit = 0;      /* Time limit hit in previous call? */
    static long long last_fast_cycle = 0; /* When last fast cycle ran. */

    unsigned int j, iteration = 0;
    // 默认每次处理的数据库数量
    unsigned int dbs_per_call = REDIS_DBCRON_DBS_PER_CALL;
    // 函数开始的时间
    long long start = ustime(), timelimit;

    // 快速模式
    if (type == ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST) 
        /* Don't start a fast cycle if the previous cycle did not exited
         * for time limt. Also don't repeat a fast cycle for the same period
         * as the fast cycle total duration itself. */
        // 如果上次函数没有触发 timelimit_exit ,那么不执行处理
        if (!timelimit_exit) return;
        // 如果距离上次执行未够一定时间,那么不执行处理
        if (start < last_fast_cycle + ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION*2) return;
        // 运行到这里,说明执行快速处理,记录当前时间
        last_fast_cycle = start;
    

    /* We usually should test REDIS_DBCRON_DBS_PER_CALL per iteration, with
     * two exceptions:
     *
     * 一般情况下,函数只处理 REDIS_DBCRON_DBS_PER_CALL 个数据库,
     * 除非:
     *
     * 1) Don't test more DBs than we have.
     *    当前数据库的数量小于 REDIS_DBCRON_DBS_PER_CALL
     * 2) If last time we hit the time limit, we want to scan all DBs
     * in this iteration, as there is work to do in some DB and we don't want
     * expired keys to use memory for too much time. 
     *     如果上次处理遇到了时间上限,那么这次需要对所有数据库进行扫描,
     *     这可以避免过多的过期键占用空间
     */
    if (dbs_per_call > server.dbnum || timelimit_exit)
        dbs_per_call = server.dbnum;

    /* We can use at max ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC percentage of CPU time
     * per iteration. Since this function gets called with a frequency of
     * server.hz times per second, the following is the max amount of
     * microseconds we can spend in this function. */
    // 函数处理的微秒时间上限
    // ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC 默认为 25 ,也即是 25 % 的 CPU 时间
    timelimit = 1000000*ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_SLOW_TIME_PERC/server.hz/100;
    timelimit_exit = 0;
    if (timelimit <= 0) timelimit = 1;

    // 如果是运行在快速模式之下
    // 那么最多只能运行 FAST_DURATION 微秒 
    // 默认值为 1000 (微秒)
    if (type == ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST)
        timelimit = ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_FAST_DURATION; /* in microseconds. */

    // 遍历数据库
    for (j = 0; j < dbs_per_call; j++) 
        int expired;
        // 指向要处理的数据库
        redisDb *db = server.db+(current_db % server.dbnum);

        /* Increment the DB now so we are sure if we run out of time
         * in the current DB we'll restart from the next. This allows to
         * distribute the time evenly across DBs. */
        // 为 DB 计数器加一,如果进入 do 循环之后因为超时而跳出
        // 那么下次会直接从下个 DB 开始处理
        current_db++;

        /* Continue to expire if at the end of the cycle more than 25%
         * of the keys were expired. */
        do 
            unsigned long num, slots;
            long long now, ttl_sum;
            int ttl_samples;

            /* If there is nothing to expire try next DB ASAP. */
            // 获取数据库中带过期时间的键的数量
            // 如果该数量为 0 ,直接跳过这个数据库
            if ((num = dictSize(db->expires)) == 0) 
                db->avg_ttl = 0;
                break;
            
            // 获取数据库中键值对的数量
            slots = dictSlots(db->expires);
            // 当前时间
            now = mstime();

            /* When there are less than 1% filled slots getting random
             * keys is expensive, so stop here waiting for better times...
             * The dictionary will be resized asap. */
            // 这个数据库的使用率低于 1% ,扫描起来太费力了(大部分都会 MISS)
            // 跳过,等待字典收缩程序运行
            if (num && slots > DICT_HT_INITIAL_SIZE &&
                (num*100/slots < 1)) break;

            /* The main collection cycle. Sample random keys among keys
             * with an expire set, checking for expired ones. 
             *
             * 样本计数器
             */
            // 已处理过期键计数器
            expired = 0;
            // 键的总 TTL 计数器
            ttl_sum = 0;
            // 总共处理的键计数器
            ttl_samples = 0;

            // 每次最多只能检查 LOOKUPS_PER_LOOP 个键
            if (num > ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP)
                num = ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP;

            // 开始遍历数据库
            while (num--) 
                dictEntry *de;
                long long ttl;

                // 从 expires 中随机取出一个带过期时间的键
                if ((de = dictGetRandomKey(db->expires)) == NULL) break;
                // 计算 TTL
                ttl = dictGetSignedIntegerVal(de)-now;
                // 如果键已经过期,那么删除它,并将 expired 计数器增一
                if (activeExpireCycleTryExpire(db,de,now)) expired++;
                if (ttl < 0) ttl = 0;
                // 累积键的 TTL
                ttl_sum += ttl;
                // 累积处理键的个数
                ttl_samples++;
            

            /* Update the average TTL stats for this database. */
            // 为这个数据库更新平均 TTL 统计数据
            if (ttl_samples) 
                // 计算当前平均值
                long long avg_ttl = ttl_sum/ttl_samples;

                // 如果这是第一次设置数据库平均 TTL ,那么进行初始化
                if (db->avg_ttl == 0) db->avg_ttl = avg_ttl;
                /* Smooth the value averaging with the previous one. */
                // 取数据库的上次平均 TTL 和今次平均 TTL 的平均值
                db->avg_ttl = (db->avg_ttl+avg_ttl)/2;
            

            /* We can't block forever here even if there are many keys to
             * expire. So after a given amount of milliseconds return to the
             * caller waiting for the other active expire cycle. */
            // 我们不能用太长时间处理过期键,
            // 所以这个函数执行一定时间之后就要返回

            // 更新遍历次数
            iteration++;

            // 每遍历 16 次执行一次
            if ((iteration & 0xf) == 0 && /* check once every 16 iterations. */
                (ustime()-start) > timelimit)
            
                // 如果遍历次数正好是 16 的倍数
                // 并且遍历的时间超过了 timelimit
                // 那么断开 timelimit_exit
                timelimit_exit = 1;
            

            // 已经超时了,返回
            if (timelimit_exit) return;

            /* We don't repeat the cycle if there are less than 25% of keys
             * found expired in the current DB. */
            // 如果已删除的过期键占当前总数据库带过期时间的键数量的 25 %
            // 那么不再遍历
         while (expired > ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP/4);
    

RDB对过期键的处理

在执行save命令或者BGSAVE命令创建一个新的RDB文件时,程序会对数据库中的键进行检查,已过期的键不会被保存到新创建的RDB文件中。

所以,数据库中包含过期键不会对生存新的RDB文件造成影响。

在启动Redis服务器时,若服务器开启了RDB功能,那么服务器将对RDB文件进行载入:

  • 如果服务器以主服务器模式运行,那么载入RDB文件时,程序会对文件中保存的键进行检查,未过期的键会被载入到数据库中,而过期键会被忽略,所以过期键对载入RDB的主服务器不会造成影响
  • 若服务器以从服务器模式运行,那么载入RDB时,文件中保存的所有键,不论是否过期,都会被载入到数据库中。但是,因为主从服务器在进行数据同步的时候,从服务器的数据库就会被清空,所以,过期键对载入RDB文件的从服务器也不会造成影响

AOF对过期键的处理

在执行AOF重写时,程序会对数据库中的键进行检查,已过期的键不会被保存到重写后的AOF文件中。

复制对过期键的处理

当服务器运行在复制模式下时,从服务器的过期键删除动作由主服务器控制:

  • 主服务器在删除一个过期键之后,会显式地向所有从服务器发送一个del命令,告知从服务器删除这个过期键
  • 从服务器在执行客户端发送的读命令时,即使碰到过期键也不会将过期键删除,而是继续像处理未过期键一样处理过期键
  • 从服务器只有在接到主服务器发来的del命令之后,才会删除过期键。

数据库通知

数据库通知可以让客户端通过订阅给定的频道或模式,来获知数据库中键的变化,以及数据库中命令的执行情况。

数据库通知分为两类:

  • 键空间通知(key-space notification):某个键执行了什么命令
  • 键事件通知(key-event notification):某个命令被什么键执行了

服务器配置的notify-keyspace-events选项决定了服务器所发送通知的类型:

  • 所有类型的键空间和键事件通知:AKE
  • 所有类型的键空间通知:AK
  • 所有类型的键事件通知:AE
  • 字符串类型的键空间通知:K$
  • 列表类型的键事件通知:El

发送数据库通知的功能是由notify.c/notifyKeyspaceEvent函数实现的:
void notifyKeyspaceEvent(int type, char *event, robj *key, int dbid);

  • type参数是当前想要发送的通知的类型,程序会根据这个值判断通知是否就是服务器配置notify-keyspace-events选项所选定的通知类型,从而决定是否发送通知。

    • event:事件的名称
  • keys:产生事件的键

  • dbid:产生事件的数据库号码

函数会根据type参数以及这三个参数构建事件通知的内容,以及接收通知的频道名

每当一个Redis命令需要发送数据库通知的时候,该命令的实现函数就会调用notifyKeyspaceEvent函数,并向函数传递该命令所引发的事件的相关信息。

notifyKeyspaceEvent函数执行以下操作:

  1. server.notify_keyspace_events属性就是服务器配置notify_keyspace_events选项所设置的值,如果给定的通知类型type不是服务器允许发送的通知类型,那么函数会直接返回,不做任何动作。
  2. 如果给定的通知是服务器允许发送的通知,那么下一步函数会检测服务器是否允许发送键空间通知,若允许,程序就会构建并发送事件通知。
  3. 最后,函数检测服务器是否允许发送键事件通知,若允许,程序就会构建并发送事件通知
/* The API provided to the rest of the Redis core is a simple function:
 *
 * notifyKeyspaceEvent(char *event, robj *key, int dbid);
 *
 * 'event' is a C string representing the event name.
 *
 * event 参数是一个字符串表示的事件名
 *
 * 'key' is a Redis object representing the key name.
 *
 * key 参数是一个 Redis 对象表示的键名
 *
 * 'dbid' is the database ID where the key lives.  
 *
 * dbid 参数为键所在的数据库
 */
void notifyKeyspaceEvent(int type, char *event, robj *key, int dbid) 
    sds chan;
    robj *chanobj, *eventobj;
    int len = -1;
    char buf[24];

    /* If notifications for this class of events are off, return ASAP. */
    // 如果服务器配置为不发送 type 类型的通知,那么直接返回
    if (!(server.notify_keyspace_events & type)) return;

    // 事件的名字
    eventobj = createStringObject(event,strlen(event));

    /* __keyspace@<db>__:<key> <event> notifications. */
    // 发送键空间通知
    if (server.notify_keyspace_events & REDIS_NOTIFY_KEYSPACE) 

        // 构建频道对象
        chan = sdsnewlen("__keyspace@",11);
        len = ll2string(buf,sizeof(buf),dbid);
        chan = sdscatlen(chan, buf, len);
        chan = sdscatlen(chan, "__:", 3);
        chan = sdscatsds(chan, key->ptr);

        chanobj = createObject(REDIS_STRING, chan);

        // 通过 publish 命令发送通知
        pubsubPublishMessage(chanobj, eventobj);

        // 释放频道对象
        decrRefCount(chanobj);
    

    /* __keyevente@<db>__:<event> <key> notifications. */
    // 发送键事件通知
    if (server.notify_keyspace_events & REDIS_NOTIFY_KEYEVENT) 

        // 构建频道对象
        chan = sdsnewlen("__keyevent@",11);
        // 如果在前面发送键空间通知的时候计算了 len ,那么它就不会是 -1
        // 这可以避免计算两次 buf 的长度
        if (len == -1) len = ll2string(buf,sizeof(buf),dbid);
        chan = sdscatlen(chan, buf, len);
        chan = sdscatlen(chan, "__:", 3);
        chan = sdscatsds(chan, eventobj->ptr);

        chanobj = createObject(REDIS_STRING, chan);

        // 通过 publish 命令发送通知
        pubsubPublishMessage(chanobj, key);

        // 释放频道对象
        decrRefCount(chanobj);
    

    // 释放事件对象
    decrRefCount(eventobj);

以上是关于《Redis设计与实现》[第二部分]单机数据库的实现-C源码阅读的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

《Redis设计与实现》[第二部分]单机数据库的实现-C源码阅读

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Redis | 第6章 事件与客户端《Redis设计与实现》