Redis源码剖析--列表list

Posted 2023-02-06 ZeeCoder

上一篇博客Redis源码剖析–快速列表 带大家一起剖析了quicklist这个底层数据结构的实现原理。Redis对外开放的列表list结构就是采用quicklist作为底层实现（在新版本的Redis源码中，不再采用ziplist和sdlist两种结构，而是统一采用quicklist）。有关列表键的实现源码在t_list.c文件中，大家可以边看源码边看这篇博客，一起来理解。

List概述

其实在[Redis源码剖析—对象Object]一文中有一个错误，list数据类型的底层编码并没有采用ziplist和sdlist，而是统一采用quicklist作为底层数据结构，这点需要提前说明一下。Redis的新版本中，list的底层编码类型只有OBJ_ENCODING_QUICKLIST，那么原先关于合适进行编码类型转换的代码都省略了。

列表没有其特有的数据结构，而是采用RedisObject作为其泛型数据结构，当RedisObject的编码类型为OBJ_LIST时，该对象被认为是一个列表。

Redis为列表提供了迭代器结构，本质就是quicklist迭代器的基本上做了一层封装。

typedef struct 
    robj *subject;  // 迭代器指向的对象
    unsigned char encoding;  // 编码类型
    unsigned char direction; // 迭代器方向
    quicklistIter *iter; // quicklist的迭代器
 listTypeIterator;
// 代表list中的某个数据项
typedef struct 
    listTypeIterator *li;  // list迭代器指针
    quicklistEntry entry; // quicklist的数据项节点结构
 listTypeEntry;

List主要接口

列表定义了基本的接口函数，包括push，pop，insert，find等等，基本上都是在quicklist上做了一次封装。我们先来看看主要有哪些接口。

// list的push操作
void listTypePush(robj *subject, robj *value, int where);
// list的pop操作
robj *listTypePop(robj *subject, int where);
// 返回list的数据项个数总和
unsigned long listTypeLength(robj *subject);
// 初始化一个list迭代器
listTypeIterator *listTypeInitIterator(robj *subject, long index,
                                       unsigned char direction);
// 释放一个list迭代器
void listTypeReleaseIterator(listTypeIterator *li);
// 指向下一个数据项的list迭代器
int listTypeNext(listTypeIterator *li, listTypeEntry *entry);
// 返回entry指向的list中的数据项的值
robj *listTypeGet(listTypeEntry *entry) ;
// 在entry指向的list数据项前面或者后面插入value
void listTypeInsert(listTypeEntry *entry, robj *value, int where);
// 比较entry指向的list中的数据项与o的大小
int listTypeEqual(listTypeEntry *entry, robj *o);
// 删除entry指向的list中的数据项
void listTypeDelete(listTypeIterator *iter, listTypeEntry *entry);
// 将OBJ_ENCODING_ZIPLIST类型编码的列表转换成OBJ_ENCODING_QUICKLIST编码的列表
void listTypeConvert(robj *subject, int enc);

其中，我们以push和pop操作来简要看看这些函数的实现源码。

// 向list中压入数据
void listTypePush(robj *subject, robj *value, int where) 
    // 仅仅当编码类型为OBJ_ENCODING_QUICKLIST时才进行操作
    if (subject->encoding == OBJ_ENCODING_QUICKLIST) 
        // 判断压入位置
        int pos = (where == LIST_HEAD) ? QUICKLIST_HEAD : QUICKLIST_TAIL;
        // 从value中解码出数据项
        value = getDecodedObject(value);
        // 得到数据项的长度
        size_t len = sdslen(value->ptr);
        // 调用quicklistPush插入数据
        quicklistPush(subject->ptr, value->ptr, len, pos);
        // 将数据项对象的引用次数减1，也就是释放value
        decrRefCount(value);
     else 
        serverPanic("Unknown list encoding");
    

// 向list中弹出数据
robj *listTypePop(robj *subject, int where) 
    long long vlong;
    robj *value = NULL;
    // 判断弹出位置
    int ql_where = where == LIST_HEAD ? QUICKLIST_HEAD : QUICKLIST_TAIL;
    // 仅仅当编码类型为OBJ_ENCODING_QUICKLIST时才进行操作
    if (subject->encoding == OBJ_ENCODING_QUICKLIST) 
        // 调用quicklistPopCustom函数弹出数据
        if (quicklistPopCustom(subject->ptr, ql_where, (unsigned char **)&value,
                               NULL, &vlong, listPopSaver)) 
            if (!value)
                // 将数据项编码成string类型的RedisObject
                value = createStringObjectFromLongLong(vlong);
        
     else 
        serverPanic("Unknown list encoding");
    
    // 返回string类型编码的数据项对象
    return value;

其他的一些接口函数均是调用quicklist提供的底层接口函数来实现，大家有空可以对照源码来看看。

List命令

与string一样，list也提供了很多命令以供用户使用。按照惯例，先列一张表给大家（包含部分重要指令）。

命令形式	命令描述
LPUSH key value1 [value2….]	将一个或多个值插入到列表头部
LPOP key	移除并获取列表的头部第一个元素
RPUSH key value1 [value2….]	将一个或者多个值插入到列表尾部
RPOP key	移除并获取列表的尾部第一个元素
LPUSHX key value	为已存在的列表头部添加值
RPUSHX key value	为已存在的列表尾部添加值
BLPOP key1 [key2…] timeout	移出并获取列表的第一个元素（阻塞模式）
BRPOP key1 [key2…] timeout	移出并获取列表的最后一个元素（阻塞模式）
BRPOPLPUSH source destination timeout	从列表中弹出一个值，将弹出的元素插入到另外一个列表中并返回它（阻塞模式）
LLEN key	获取列表长度
LINDEX	通过索引获取列表中的元素

同样，博主仅仅贴出部分源码来供大家理解这些命令的简要实现过程，我们来看看LPUSH和RPUSH命令的实现。

// lpush操作
void lpushCommand(client *c) 
    c->argv[2] = tryObjectEncoding(c->argv[2]);
    pushxGenericCommand(c,NULL,c->argv[2],LIST_HEAD);

// rpush操作
void rpushCommand(client *c) 
    c->argv[2] = tryObjectEncoding(c->argv[2]);
    pushxGenericCommand(c,NULL,c->argv[2],LIST_TAIL);

// 真正的push操作函数，where指定位置
void pushGenericCommand(client *c, int where) 
    int j, waiting = 0, pushed = 0;
    // 在数据库中查找是否存在该键，如果存在则返回该键，反之返回NULL
    robj *lobj = lookupKeyWrite(c->db,c->argv[1]);
    // 如果该键并非list，属于类型错误，交由服务器处理
    if (lobj && lobj->type != OBJ_LIST) 
        addReply(c,shared.wrongtypeerr);
        return;
    
    // 添加数据元素
    for (j = 2; j < c->argc; j++) 
        // 试图将该元素编码成字符串类型以节省空间
        c->argv[j] = tryObjectEncoding(c->argv[j]);
        // 如果该列表不存在
        if (!lobj) 
            // 创建一个编码类型为OBJ_ENCODING_QUICKLIST的列表
            lobj = createQuicklistObject();
            // 设定列表的属性
            quicklistSetOptions(lobj->ptr, server.list_max_ziplist_size,
                                server.list_compress_depth);
            // 将键和新的列表作为键值对添加到数据库
            dbAdd(c->db,c->argv[1],lobj);
        
        // 将元素添加到列表中
        listTypePush(lobj,c->argv[j],where);
        // 记录添加的元素个数
        pushed++;
    
    // 返回添加的节点数量
    addReplyLongLong(c, waiting + (lobj ? listTypeLength(lobj) : 0));
    // 至少有一个添加成功则进行操作
    if (pushed) 
        char *event = (where == LIST_HEAD) ? "lpush" : "rpush";
        // 发送键修改信号
        signalModifiedKey(c->db,c->argv[1]);
        // 发送事件通知
        notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_LIST,event,c->argv[1],c->db->id);
    
    // 服务器的脏数据个数增加
    server.dirty += pushed;

这些命令的源码实现基本上大同小异，不过相对于其他数据类型，list提供了带有阻塞的命令，包括BLPOP，BRPOP，BLPOPRPUSH，这些命令可能会造成客户端被阻塞。这属于list的一大特色，也是需要着重理解的地方。

阻塞命令

前面提到，list为用户提供了三个带有阻塞模式的命令，分别是BLPOP，BRPOP，BLPOPRPUSH。那么，到底这些命令是如何执行，如何进行阻塞和解阻塞的呢？首先，我们来看看BLPOP，BRPOP的源码。

// BLPOP命令
void blpopCommand(client *c) 
    blockingPopGenericCommand(c,LIST_HEAD);

// BRPOP命令
void brpopCommand(client *c) 
    blockingPopGenericCommand(c,LIST_TAIL);

// 带有阻塞的pop命令实现函数
void blockingPopGenericCommand(client *c, int where) 
    robj *o;
    mstime_t timeout;
    int j;
    // 取出timeout参数
    if (getTimeoutFromObjectOrReply(c,c->argv[c->argc-1],&timeout,UNIT_SECONDS)
        != C_OK) return;
    // 遍历所有输入键
    for (j = 1; j < c->argc-1; j++) 
        // 在当前数据库中查找list键
        o = lookupKeyWrite(c->db,c->argv[j]);
        if (o != NULL) 
            // 执行到此处，说明数据库中存在此键
            // 检查类型
            if (o->type != OBJ_LIST) 
                addReply(c,shared.wrongtypeerr);
                return;
             else 
                // list不为空的话，则转换为普通的pop操作
                if (listTypeLength(o) != 0) 
                    // 当前list不为空，转换为普通的pop进行处理
                    char *event = (where == LIST_HEAD) ? "lpop" : "rpop";
                    robj *value = listTypePop(o,where);
                    serverAssert(value != NULL);

                    addReplyMultiBulkLen(c,2);
                    addReplyBulk(c,c->argv[j]);
                    addReplyBulk(c,value);
                    decrRefCount(value);
                    notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_LIST,event,
                                        c->argv[j],c->db->id);
                    // 如果弹出后list为空，则删除
                    if (listTypeLength(o) == 0) 
                        dbDelete(c->db,c->argv[j]);
                        notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_GENERIC,"del",
                                            c->argv[j],c->db->id);
                    
                    signalModifiedKey(c->db,c->argv[j]);
                    server.dirty++;

                    /* Replicate it as an [LR]POP instead of B[LR]POP. */
                    rewriteClientCommandVector(c,2,
                        (where == LIST_HEAD) ? shared.lpop : shared.rpop,
                        c->argv[j]);
                    return;
                
            
        
    

    /* If we are inside a MULTI/EXEC and the list is empty the only thing
     * we can do is treating it as a timeout (even with timeout 0). */
    // 如果用户在一个事务中执行阻塞命令，则返回一个空回复。这样做为了避免客户端死等
    if (c->flags & CLIENT_MULTI) 
        addReply(c,shared.nullmultibulk);
        return;
    

    // 执行到此处，说明列表为空，或者当前键并不存在
    // 执行阻塞
    blockForKeys(c, c->argv + 1, c->argc - 2, timeout, NULL);

从这段代码中，我们可以看出，当执行带有阻塞的pop命令时，有如下两种情况。

• 如果指定的list存在于当前数据库中且list不为空，则转而执行普通的pop操作
• 如果指定的list键不存在，或者该list为空，则执行阻塞操作

那么阻塞的过程是如下进行的呢？别急，我们去查看以下blockForKeys函数，看看它干了些什么。

// 设置客户端对指定键的阻塞状态
// 参数keys可以指定任意数量的键，timeout指定超时时间，target代表目标listType对象
void blockForKeys(client *c, robj **keys, int numkeys, mstime_t timeout, robj *target) 
    dictEntry *de;
    list *l;
    int j;
    // 设定阻塞超时时间
    c->bpop.timeout = timeout;
    // 设置目标选项，target在执行RPOPLPUSH命令时使用
    c->bpop.target = target;

    if (target != NULL) incrRefCount(target);
    // 添加阻塞客户端和键的映射关系
    for (j = 0; j < numkeys; j++) 
        // 如果当前键存在，则忽略；反之则添加该键
        // bpop.keys记录所有造成客户端阻塞的键
        if (dictAdd(c->bpop.keys,keys[j],NULL) != DICT_OK) continue;
        incrRefCount(keys[j]);

        // blocking_keys是一个字典，其键为造成阻塞的键，值是一个链表，记录所有被该键阻塞的客户端
        // 查找当前造成阻塞的键
        de = dictFind(c->db->blocking_keys,keys[j]);
        if (de == NULL) 
            // 键不存在，则新创建一个，并将它关联到字典中
            int retval;
            // 创建新的list
            l = listCreate();
            // 将键和值加入到c->db->blocking_keys中
            retval = dictAdd(c->db->blocking_keys,keys[j],l);
            incrRefCount(keys[j]);
            serverAssertWithInfo(c,keys[j],retval == DICT_OK);
         else 
            // 如果键存在，则直接获取该键的值
            l = dictGetVal(de);
        
        // 将客户端加入到链表中
        listAddNodeTail(l,c);
    
    // 阻塞该客户端
    blockClient(c,BLOCKED_LIST);

在上述代码中，设计到server.c中的一些数据结构。这里我简要的罗列一下。

typedef struct client 
    redisDb *db;   // 指向当前数据库
    blockingState bpop;  // 记录阻塞状态
    // ...其他的参数省略

// 阻塞状态结构体
typedef struct blockingState 
    mstime_t timeout;      // 阻塞超时时间

    dict *keys;           // 记录所有造成客户端阻塞的键
    robj *target;         // 目标选项，target在执行RPOPLPUSH命令时使用，

    /* BLOCKED_WAIT */
    int numreplicas;        /* Number of replicas we are waiting for ACK. */
    long long reploffset;   /* Replication offset to reach. */
 blockingState;
typedef struct redisDb 
    dict *blocking_keys;        // 记录所有造成阻塞的键，及其相应的客户端
    // ...其他参数省略
 redisDb;

Redis采用了一个字典结构blocking_keys，其将所有造成阻塞的键，以及阻塞于该键的所有客户端的信息存放起来。执行完这些以后，就调用blockClient函数，真正的对该客户端进行阻塞。

那么，接下来要考虑的问题就是如何解阻塞，客户端不可能一直阻塞在那吧，是不是？由我们之前设定的参数，可以推测出来，有两种情况会对客户端进行解阻塞操作。

• 执行阻塞的时候，设置了超时参数，如果阻塞时长超过了该参数设定的时间，则自动对该客户端进行解阻塞
• 执行阻塞的时候，记录了所有造成客户端阻塞的键，那么如果有其他客户端执行命令，往造成阻塞的键里面添加了新值，这个时候Redis检查到该键中有值了，就会处理pop命令，也就是说，Redis采用先阻塞，后执行的策略来执行阻塞命令。

有了这些推测之后，我们就去push命令中找关于解阻塞的操作，一番查找之后，锁定了signalListAsReady函数，该函数在dbadd函数中执行。于是，跳转到signalListAsReady函数的源码。

// 如果有客户端因为等待给定key 被push阻塞，那么将此key加入到server.ready_keys中
// 这个列表最终会被 handleClientsBlockedOnLists() 函数处理。
void signalListAsReady(redisDb *db, robj *key) 
    readyList *rl;

    // 如果在所有造成客户端阻塞的键中找不到此键，则不作处理
    if (dictFind(db->blocking_keys,key) == NULL) return;

    // 这个键已经存在于ready_keys中了，则不做处理
    if (dictFind(db->ready_keys,key) != NULL) return;

    // 执行到此，说明有客户端因为此键被阻塞，且此键不存在于db->ready_keys中
    // 创建一个新的readylists结构，保存键和数据库
    // 然后将该结构添加到server.ready_keys中
    rl = zmalloc(sizeof(*rl));
    rl->key = key;
    rl->db = db;
    incrRefCount(key);
    listAddNodeTail(server.ready_keys,rl);

    // 同样，将key添加到db->ready_keys中
    incrRefCount(key);
    serverAssert(dictAdd(db->ready_keys,key,NULL) == DICT_OK);

此代码中有一点小小的疑惑，db->ready_keys和server.ready_keys这不重复了吗？为什么要设计这两个同样的结构。于是我们来查看以下它们的定义。

typedef struct redisDb 
    dict *ready_keys;           // 存放push操作添加的造成阻塞的键，字典结构
    // 省略了其他参数
 redisDb;

struct redisServer 
    list *ready_keys;    // 存在push操作添加的造成阻塞的键，链表结构
    // 省略了不必要的参数

// ready_keys链表结构中存放的节点数据结构
typedef struct readyList 
    redisDb *db;  // key所在的数据库
    robj *key;  //造成阻塞的键
 readyList;

Redis采用了一个链表和一个字典结构存放同一个key，想了想，这似乎也有道理。假设我们往一个key中添加多个新值时，Redis只需要在server.ready_keys中为该key保存一个readyList节点即可，这样可以避免在一个事务或者脚本中将同一个key一次又一次的添加到server.ready_keys中，为了避免不重复添加，Redis又采用一个链表结构db->ready_keys来快速判断server.ready_keys中是否存在该键。这样一来，既保证了不重复添加，又保证了哈希结构带来的查找效率。

好了，理解了这一点，我们继续往下剖析，在push操作的时候，只是回收了push进来的造成阻塞的键，如何利用这些信息对已经阻塞的客户端进行解阻塞呢？Redis在运行的过程中，会一直查看server.ready_keys里是否有值，如果有则需要对存放的值对应的客户端进行接阻塞，此操作由handleClientsBlockedOnLists函数执行。

// 遍历server.ready_keys中所有已经准备好的key，同时在c->db->blocking_keys中
// 遍历所有由此键造成阻塞的客户端，如果key不为空的话，就从key中弹出一个元素返回给客户端并
// 接触该客户端的阻塞状态，直到server.ready_keys为空，或没有因该key而阻塞的客户端为止
void handleClientsBlockedOnLists(void) 
    while(listLength(server.ready_keys) != 0) 
        list *l;

        // 备份server.ready_keys，然后初始化server.ready_keys
        l = server.ready_keys;
        server.ready_keys = listCreate();
        // 不为空
        while(listLength(l) != 0) 
            // 取出server.ready_keys中的第一个节点
            listNode *ln = listFirst(l);
            // 指向redislist结构
            readyList *rl = ln->value;

            /* First of all remove this key from db->ready_keys so that
             * we can safely call signalListAsReady() against this key. */
            // 从ready_keys中移除就绪的key
            dictDelete(rl->db->ready_keys,rl->key);

            /* If the key exists and it's a list, serve blocked clients
             * with data. */
            // 获取键对象，此对象非空且为list结构
            robj *o = lookupKeyWrite(rl->db,rl->key);
            if (o != NULL && o->type == OBJ_LIST) 
                dictEntry *de;

                /* We serve clients in the same order they blocked for
                 * this key, from the first blocked to the last. */
                // 取出没有被这个key阻塞的客户端
                de = dictFind(rl->db->blocking_keys,rl->key);
                if (de) 
                    list *clients = dictGetVal(de);
                    int numclients = listLength(clients);

                    while(numclients--) 
                        // 取出客户端
                        listNode *clientnode = listFirst(clients);
                        client *receiver = clientnode->value;
                        // 设置弹出的目标对象（只在 BRPOPLPUSH 时使用）
                        robj *dstkey = receiver->bpop.target;
                        // 从列表中弹出元素
                        // 弹出的位置取决于是执行 BLPOP 还是 BRPOP 或者 BRPOPLPUSH
                        int where = (receiver->lastcmd &&
                                     receiver->lastcmd->proc == blpopCommand) ?
                                    LIST_HEAD : LIST_TAIL;
                        robj *value = listTypePop(o,where);
                        // 还有元素可弹出，非NULL
                        if (value) 
                            /* Protect receiver->bpop.target, that will be
                             * freed by the next unblockClient()
                             * call. */
                            if (dstkey) incrRefCount(dstkey);
                            // 取消客户端的阻塞状态
                            unblockClient(receiver);

                            if (serveClientBlockedOnList(receiver,
                                rl->key,dstkey,rl->db,value,
                                where) == C_ERR)
                            
                                /* If we failed serving the client we need
                                 * to also undo the POP operation. */
                                    listTypePush(o,value,where);
                            

                            if (dstkey) decrRefCount(dstkey);
                            decrRefCount(value);
                         else 
                            // 执行到此处，表示还有至少一个客户端被该key阻塞
                            // 这些客户端需要下一次push才能被解阻塞
                            break;
                        
                    
                
                // 如果列表元素已经为空，那么从数据库中将它删除
                if (listTypeLength(o) == 0) 
                    dbDelete(rl->db,rl->key);
                
                /* We don't call signalModifiedKey() as it was already called
                 * when an element was pushed on the list. */
            

            /* Free this item. */
            // 释放
            decrRefCount(rl->key);
            zfree(rl);
            listDelNode(l,ln);
        
        listRelease(l); /* We have the new list on place at this point. */
    

剖析到此，整个阻塞操作的流程就都清晰明了了。如有疑惑，可以在留言区留言，咋们继续讨论。

List小结

本篇博客剖析list的主要接口，以及所有命令的实现，值得大家注意的是带阻塞的pop命令，这个在上文中有详细的实现过程，分析源码的过程就向探索迷宫一样，一步一步的把它藏在深处的秘密挖出来，坚持下去总会有收获。keep moving！明天继续按照预定的步骤分析！