为庆祝35岁生日，秃顶的我徒手用 Go 写个 Redis 服务器

Posted 2021-08-12 javatiange

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了为庆祝35岁生日，秃顶的我徒手用 Go 写个 Redis 服务器相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

今天给大家带来的开源项目是 Godis：一个用 Go 语言实现的 Redis 服务器。支持：

5 种数据结构（string、list、hash、set、sortedset）
自动过期（TTL）
发布订阅、地理位置、持久化等功能

你或许不需要自己实现 Redis 服务，但你是否厌烦了每天都是写增删改查的业务代码，想提高编程水平试图从零写个项目打开 IDE 却发现无从下手？

动手造轮子一定是提高编程能力的好办法，下面就带大家用 Go 从零开始写一个 Redis 服务器（Godis），从中你将学到：

如何编写 Go 语言 TCP 服务器
设计并实现安全可靠的通信协议（redis 协议）
如何使用 Go 语言开发高并发程序
设计和实现分布式集群以及分布式事务
熟悉链表、哈希表、跳表以及时间轮等常用数据结构

千万不要担心内容太难！！虽然示例代码是 Go，但就算你不会 Go 语言也不会影响你理解 Redis 的原理和底层协议以及高性能的秘密。而且作者为了照顾到广大读者，对技术的讲解做了优化。示例代码在原项目基础上做了简化，并逐行地加了注释。

下面让我们一起拨开 Redis 的迷雾。

一、写个 TCP 服务器

众所周知 Redis 是 C/S 模型，使用 TCP 协议进行通信。接下来就从实现 TCP 服务端开始。作为广泛用于服务端的编程语言 Golang 提供了非常简洁的 TCP 接口，所以实现起来十分方便。示例代码：

func ListenAndServe(address string) {  
    // 绑定监听地址  
    listener, err := net.Listen("tcp", address)  
    if err != nil {  
        log.Fatal(fmt.Sprintf("listen err: %v", err))  
    }  
    defer listener.Close()  
    log.Println(fmt.Sprintf("bind: %s, start listening...", address))  
  
    for {  
        // Accept 会一直阻塞直到有新的连接建立或者listen中断才会返回  
        conn, err := listener.Accept()  
        if err != nil {  
            // 通常是由于listener被关闭无法继续监听导致的错误  
            log.Fatal(fmt.Sprintf("accept err: %v", err))  
        }  
        // 开启新的 goroutine 处理该连接  
        go Handle(conn)  
    }  
}  
  
func Handle(conn net.Conn) {  
    reader := bufio.NewReader(conn)  
    for {  
        // ReadString 会一直阻塞直到遇到分隔符 '\\n'  
        // 遇到分隔符后 ReadString 会返回上次遇到分隔符到现在收到的所有数据  
        // 若在遇到分隔符之前发生异常, ReadString 会返回已收到的数据和错误信息  
        msg, err := reader.ReadString('\\n')  
        if err != nil {  
            // 通常遇到的错误是连接中断或被关闭，用io.EOF表示  
            if err == io.EOF {  
                log.Println("connection close")  
            } else {  
                log.Println(err)  
            }  
            return  
        }  
        b := []byte(msg)  
        // 将收到的信息发送给客户端  
        conn.Write(b)  
    }  
}  
  
func main() {  
    ListenAndServe(":8000")  
}

👌 至此只用了 40 行代码就搞定服务端啦！启动上面的 TCP 服务后，在终端中输入 telnet 127.0.0.1 8000 就可以连接到刚写好的服务器，它会将你发送的消息原样返回给你（所以请不要骂它）：

这个 TCP 服务器的非常简单，主协程调用 accept 函数来监听端口，接受新连接后开启一个 Goroutine 来处理它。这种简单的阻塞 IO 模型有些类似于早期的 Tomcat/Apache 服务器。

阻塞 IO 模型是使用一个线程处理一个连接，在没有收到新数据时监听线程处于阻塞状态，直到数据就绪后线程被唤醒进行处理。因为阻塞 IO 模型需要开启大量线程并且频繁地进行上下文切换，所以它的效率很低。而 Redis 使用的 epoll 技术（IO 多路复用）用一个线程处理大量连接，极大地提高了吞吐量。那么我们的 TCP 服务器会比 Redis 慢很多吗？

当然不会，Golang 利用 Goroutine 调度开销远远小于线程调度开销的优势封装出 goroutine-per-connection 风格的极简接口，而且 net/tcp 库将 epoll 封装成了阻塞 IO 的样子，在享受 epoll 高性能的同时避免了原生 epoll 接口所需的复杂异步代码。

在作者的电脑上 Redis 每秒可以响应 10.6k 个 PING 命令，而 Godis（完整代码）的吞吐量为 9.2 kqps 相差并不大。想了解更多 Golang 高性能的㊙️密，可以搜索 go netpoller 或者 go 语言网络轮询器 关键字

另外，合格的 TCP 的服务器在关闭的时候不应该一停了之，而需要完成响应已接收的请求、释放 TCP 连接等必要的清理工作。这个功能我们一般称为 优雅关闭 或者 graceful shutdown，优雅关闭步骤：

首先，关闭 listener 停止接受新连接
然后，遍历所有存活连接逐个关闭

优雅关闭的代码比较多，这里就不完整贴出了。

二、透视 Redis 协议

在解决完通信后，下一步就是搞清楚 Redis 的协议，其实就是一套序列化协议类似 JSON、Protocol Buffers，你看底层其实也就是一些基础的知识。

自 Redis 2.0 以后的通信统一为 RESP 协议（REdis Serialization Protocol)，该协议易于实现不仅可以高效的被程序解析，还能够被人类读懂容易调试。

RESP 是一个二进制安全的文本协议，工作于 TCP 协议上。RESP 以行作为单位，客户端和服务器发送的命令或数据一律以 \\r\\n（CRLF）作为换行符。

二进制安全是指允许协议中出现任意字符而不会导致故障。比如 C 语言的字符串以 \\0 作为结尾不允许字符串中间出现 \\0，而 Go 语言的 string 则允许出现 \\0，我们说 Go 语言的 string 是二进制安全的，而 C 语言字符串不是二进制安全的。

RESP 的二进制安全性允许我们在 key 或者 value 中包含 \\r 或者 \\n 这样的特殊字符。在使用 Redis 存储 protobuf、msgpack 等二进制数据时，二进制安全性尤为重要。

RESP 定义了 5 种格式：

简单字符串（Simple String）：服务器用来返回简单的结果，比如 “OK” 非二进制安全，且不允许换行
错误信息（Error）：服务器用来返回简单的错误信息，比如 “ERR Invalid Synatx” 非二进制安全，且不允许换行
整数（Integer）：llen、scard 等命令的返回值，64 位有符号整数
字符串（Bulk String）：二进制安全字符串，比如 get 等命令的返回值
数组（Array，又称 Multi Bulk Strings）：Bulk String 数组，客户端发送指令以及 lrange 等命令响应的格式

RESP 通过第一个字符来表示格式：

简单字符串：以"+" 开始，如："+OK\\r\\n"
错误：以"-" 开始，如："-ERR Invalid Synatx\\r\\n"
整数：以":“开始，如：”:1\\r\\n"
字符串：以 $ 开始
数组：以 * 开始

下面让我们通过一些实际例子来理解协议。

2.1 字符串

字符串（Bulk String）有两行，第一行为 $+正文长度，第二行为实际内容。如：

$3\\r\\nSET\\r\\n

字符串（Bulk String）是二进制安全的，就是说可以在 Bulk String 内部包含 “\\r\\n” 字符（行尾的 CRLF 被隐藏）：

$4  
a\\r\\nb

2.2 空

$-1 表示 nil，比如使用 get 命令查询一个不存在的 key 时，响应即为 $-1。

2.3 数组

数组（Array）格式第一行为 “*”+数组长度，其后是相应数量的字符串（Bulk String）。比如 ["foo", "bar"] 的报文（传输时的内容）：

*2  
$3  
foo  
$3  
bar

客户端也使用数组（Array）格式向服务端发送指令。命令本身将作为第一个参数，比如 SET key value 指令的 RESP 报文：

*3  
$3  
SET  
$3  
key  
$5  
value

将换行符打印出来：

*3\\r\\n$3\\r\\nSET\\r\\n$3\\r\\nkey\\r\\n$5\\r\\nvalue\\r\\n

2.4 解析预备

知道常用的 RESP 报文内容后，就可以开始着手解析了。但需要注意的是 RESP 是 二进制安全 的协议，它允许在正文中使用 \\r\\n 字符。举例来说 Redis 可以正确接收并执行 SET "a\\r\\nb" hellogithub 指令，这条指令的正确报文是这样的：

*3    
$3  
SET  
$4  
a\\r\\nb   
$11  
hellogithub

当 ReadBytes 读取到第五行 “a\\r\\nb\\r\\n” 时会将其误认为两行：

*3    
$3  
SET  
$4  
a  // 错误的分行  
b // 错误的分行  
$11  
hellogithub

因此当读取到第四行 $4 后，不应该继续使用 ReadBytes('\\n') 读取下一行，应使用 io.ReadFull(reader, msg) 方法来读取指定长度的内容。

msg = make([]byte, 4 + 2) // 正文长度4 + 换行符长度2  
_, err = io.ReadFull(reader, msg)

2.5 编写 RESP 协议解析器

解决完上面内容包含 “\\r\\n” 的问题，我们就可以开始放手编写 Redis 协议解析器啦！

type Payload struct {  
 Data redis.Reply  
 Err  error  
}  
  
// ParseStream 通过 io.Reader 读取数据并将结果通过 channel 将结果返回给调用者  
// 流式处理的接口适合供客户端/服务端使用  
func ParseStream(reader io.Reader) <-chan *Payload {  
 ch := make(chan *Payload)  
 go parse0(reader, ch)  
 return ch  
}

由于解析器的代码比较多，这里只简单地介绍一下核心流程。

func parse0(reader io.Reader, ch chan<- *Payload) {  
    // 初始化读取状态  
    readingMultiLine := false  
    expectedArgsCount := 0  
    var args [][]byte  
    var bulkLen int64  
    for {  
        // 上文中我们提到 RESP 是以行为单位的  
        // 因为行分为简单字符串和二进制安全的 BulkString，我们需要封装一个 readLine 函数来兼容  
        line, err = readLine(reader, bulkLen)  
        if err != nil {   
            // 处理错误  
            return  
        }  
        // 接下来我们对刚刚读取的行进行解析  
        // 我们简单的将 Reply 分为两类:  
        // 单行: StatusReply, IntReply, ErrorReply  
        // 多行: BulkReply, MultiBulkReply  
  
        if !readingMultiLine {  
            if isMulitBulkHeader(line) {  
                // 我们收到了 MulitBulkReply 的第一行  
                // 获得 MulitBulkReply 中 BulkString 的个数  
                expectedArgsCount = parseMulitBulkHeader(line)  
                // 等待 MulitBulkReply 后续行  
                readingMultiLine = true  
            } else if isBulkHeader(line) {  
                // 我们收到了 BulkReply 的第一行  
                // 获得 BulkReply 第二行的长度, 通过 bulkLen 告诉 readLine 函数下一行 BulkString 的长度  
                bulkLen = parseBulkHeader()  
                // 这个 Reply 中一共有 1 个 BulkString  
                expectedArgsCount = 1   
                // 等待 BulkReply 后续行  
                readingMultiLine = true  
            } else {  
                // 处理 StatusReply, IntReply, ErrorReply 等单行 Reply  
                reply := parseSingleLineReply(line)  
                // 通过 ch 返回结果  
                emitReply(ch)  
            }  
        } else {  
            // 进入此分支说明我们正在等待 MulitBulkReply 或 BulkReply 的后续行  
            // MulitBulkReply 的后续行有两种，BulkHeader 或者 BulkString  
            if isBulkHeader(line) {  
                bulkLen = parseBulkHeader()  
            } else {  
                // 我们正在读取一个 BulkString, 它可能是 MulitBulkReply 或 BulkReply   
                args = append(args, line)  
            }  
            if len(args) == expectedArgsCount { // 我们已经读取了所有后续行  
                // 通过 ch 返回结果  
                emitReply(ch)  
                // 重置状态, 准备解析下一条 Reply  
                readingMultiLine = false  
                expectedArgsCount = 0  
                args = nil  
                bulkLen = 0  
            }  
        }  
    }  
}

三、实现内存数据库

至此我们已经搞定数据接收和解析的部分了，剩下就是我们应该把数据存在哪里了？

抛开持久化部分，作为基于内存的 KV 数据库 Redis 的所有数据需要都存储在内存中的哈希表，而这个哈希表就是我们今天需要编写的最后一个组件。

与单线程的 Redis 不同我们实现的 Redis（godis）是并行工作的，所以我们必须考虑各种并发安全问题。常见的并发安全哈希表设计有几种：

sync.map：Golang 官方提供的并发哈希表，适合读多写少的场景。但是在 m.dirty 刚被提升后会将 m.read 复制到新的 m.dirty 中，在数据量较大的情况下复制操作会阻塞所有协程，存在较大的隐患。
juc.ConcurrentHashMap：Java 的并发哈希表采用分段锁实现。在进行扩容时访问哈希表线程都将协助进行 rehash 操作，在 rehash 结束前所有的读写操作都会阻塞。因为缓存数据库中键值对数量巨大且对读写操作响应时间要求较高，使用 juc 的策略是不合适的。
memcached hashtable：在后台线程进行 rehash 操作时，主线程会判断要访问的哈希槽是否已被 rehash 从而决定操作 old_hashtable 还是操作 new_hashtable。这种设计被称为渐进式 rehash 它的优点是 rehash 操作基本不会阻塞主线程的读写，是最理想的的方案。

但渐进式 rehash 的实现非常复杂，所以 godis 采用 Golang 社区广泛使用的分段锁策略（非上面的三种），就是将 key 分散到固定数量的 shard 中避免进行整体 rehash 操作。shard 是有锁保护的 map，当 shard 进行 rehash 时会阻塞 shard 内的读写，但不会对其他 shard 造成影响。

代码如下：

type ConcurrentDict struct {  
    table []*Shard  
    count int32  
}  
  
type Shard struct {  
    m     map[string]interface{}  
    mutex sync.RWMutex  
}  
  
func (dict *ConcurrentDict) spread(hashCode uint32) uint32 {  
 tableSize := uint32(len(dict.table))  
 return (tableSize - 1) & uint32(hashCode)  
}  
  
func (dict *ConcurrentDict) getShard(index uint32) *Shard {  
 return dict.table[index]  
}  
  
func (dict *ConcurrentDict) Get(key string) (val interface{}, exists bool) {  
 hashCode := fnv32(key)  
 index := dict.spread(hashCode)  
 shard := dict.getShard(index)  
 shard.mutex.RLock()  
 defer shard.mutex.RUnlock()  
 val, exists = shard.m[key]  
 return  
}  
  
func (dict *ConcurrentDict) Put(key string, val interface{}) (result int) {  
 if dict == nil {  
  panic("dict is nil")  
 }  
 hashCode := fnv32(key)  
 index := dict.spread(hashCode)  
 shard := dict.getShard(index)  
 shard.mutex.Lock()  
 defer shard.mutex.Unlock()  
  
 if _, ok := shard.m[key]; ok {  
  shard.m[key] = val  
  return 0  
 } else {  
  shard.m[key] = val  
  dict.addCount()  
  return 1  
 }  
}

ConcurrentDict 可以保证对单个 key 操作的并发安全性，但是仍然无法满足并发安全的需求，举例来说：

Incr 命令需要完成：读取 -> 做加法 -> 写入 三步操作，读取和写入两步操作不是原子性的
MSETNX 命令当且仅当所有给定键都不存在时所有给定键设置值，我们需要保证「检查多个key是否存在」以及「写入多个key」这两个操作的原子性

因此我们需要实现 db.Locker 用于锁定一个或一组 key 直到我们完成所有操作后再释放。

实现 db.Locker 最直接的想法是使用一个 map[string]*sync.RWMutex

加锁过程分为两步：初始化 mutex -> 加锁
解锁过程也分为两步: 解锁 -> 释放mutex

那么存在一个无法解决的并发问题：

时间	协程A	协程B
1
locker[“a”].Unlock()
2	locker[“a”] = &sync.RWMutex{}

3
delete(locker[“a”])
4	locker[“a”].Lock()

由于 t3 时协程 B 释放了锁，t4 时协程 A 试图加锁会失败。若协程B在解锁时不执行 delete(locker["a"]) 就可以避免该异常的发生，但是这样会造成严重的内存泄露。

我们注意到哈希槽的数量远少于 key 的数量，反过来说多个键可以共用一个哈希槽。所以我们不再直接对 key 进行加锁而是锁定 key 所在的哈希槽也可以保证安全，另一方面哈希槽数量较少即使不释放也不会消耗太多内存。

type Locks struct {  
    table []*sync.RWMutex  
}  
  
func Make(tableSize int) *Locks {  
    table := make([]*sync.RWMutex, tableSize)  
    for i := 0; i < tableSize; i++ {  
        table[i] = &sync.RWMutex{}  
    }  
    return &Locks{  
        table: table,  
    }  
}  
  
func (locks *Locks)Lock(key string) {  
    index := locks.spread(fnv32(key))  
    mu := locks.table[index]  
    mu.Lock()  
}  
  
func (locks *Locks)UnLock(key string) {  
    index := locks.spread(fnv32(key))  
    mu := locks.table[index]  
    mu.Unlock()  
}