Redis源码剖析 - Redis IO操作之rio

Posted 2020-07-06 Fred^_^

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Reids内部封装了一个I/O层，称之为rio。今天我们就来简单介绍一下rio模块的具体实现。

本文主要涉及rio.h和rio.c两个文件。

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1、rio结构体

关于文件读写操作和buffer的操作主要基于rio对象进行操作，我们先来看看rio结构体的定义，如下：

/* 系统IO操作的封装 */
struct _rio {
    /* Backend functions.
     * Since this functions do not tolerate short writes or reads the return
     * value is simplified to: zero on error, non zero on complete success. */
    /*  后端方法：函数的返回值为0表示发生错误，返回值为非0表示操作成功。 */

    // 数据流读操作
    size_t (*read)(struct _rio *, void *buf, size_t len);
    // 数据流写操作
    size_t (*write)(struct _rio *, const void *buf, size_t len);
    // 读或写操作的当前偏移量
    off_t (*tell)(struct _rio *);
    // flush操作
    int (*flush)(struct _rio *);
    /* The update_cksum method if not NULL is used to compute the checksum of
     * all the data that was read or written so far. The method should be
     * designed so that can be called with the current checksum, and the buf
     * and len fields pointing to the new block of data to add to the checksum
     * computation. */
    // 更新校验和
    void (*update_cksum)(struct _rio *, const void *buf, size_t len);

    /* The current checksum */
    // 当前校验和
    uint64_t cksum;

    /* number of bytes read or written */
    // 已读或已写的字节数
    size_t processed_bytes;

    /* maximum single read or write chunk size */
    // 每次读或写操作的最大字节数
    size_t max_processing_chunk;

    /* Backend-specific vars. */
    // io变量
    union {
        /* In-memory buffer target. */
        // 内存缓冲区buffer结构体
        struct {
            // buffer中的内容，实际就是char数组
            sds ptr;
            // 偏移量
            off_t pos;
        } buffer;
        /* Stdio file pointer target. */
        // 文件结构体
        struct {
            // 打开的文件句柄
            FILE *fp;
            // 最后一个fsync后写入的字节数
            off_t buffered; /* Bytes written since last fsync. */
            // 多少字节进行一次fsync操作
            off_t autosync; /* fsync after 'autosync' bytes written. */
        } file;
        /* Multiple FDs target (used to write to N sockets). */
        // 封装了多个文件描述符结构体（用于写多个socket）
        struct {
            // 文件描述符数组
            int *fds;       /* File descriptors. */
            // 状态位，与fds对应
            int *state;     /* Error state of each fd. 0 (if ok) or errno. */
            // 文件描述符的个数
            int numfds;
            // 偏移量
            off_t pos;
            // 缓冲区
            sds buf;
        } fdset;
    } io;
};

我们可以看到rio结构体主要包含以下三方面内容：

1. 读写操作、获取偏移量操作等相关的回调函数。rio可以处理buffer、file、socket三种不同类型的I/O对象，不同的rio对象底层使用相应的系统调用完成read、write、tell、flush操作。比如，对于file rio对象，底层通过fwrite函数完成写操作，通过fread函数完成读操作（具体见源码）。
2. 校验和操作。rio使用了RCR64算法计算校验和，具体实现可以参看crc64.h和crc64.c文件。
3. IO变量。_rio中的io成员是一个联合体，针对不同的I/O情况进行不同的处理：当执行内存buffer的I/O操作时，使用rio.buffer结构体；当执行文件I/O操作时，使用rio.file结构体；当执行socket的I/O操作时，使用rio.fdset结构体。

介绍完rio结构体后，我们来看看buffer rio对象的实现（file rio对象和socket rio对象的现实大家可以参考注释版源码，这里就不一一讲解）。

buffer的写操作实际上就是将数据存入r->io.buffer中，由rioBufferWrite函数实现：

/* 将buf中指定长度len的内容追加到rio对象的缓冲区中，操作成功返回1，否则返回0。*/
static size_t rioBufferWrite(rio *r, const void *buf, size_t len) {
    // 调用sdscatlen实现append操作
    r->io.buffer.ptr = sdscatlen(r->io.buffer.ptr,(char*)buf,len);
    // 更新长度信息
    r->io.buffer.pos += len;
    return 1;
}

buffer的写操作实际上就是将数据从r->io.buffer中读出，由rioBufferRead函数实现：

/* 从rio对象的缓冲区中读取长度为len的内容到buf中，操作成功返回1，否则返回0。*/
static size_t rioBufferRead(rio *r, void *buf, size_t len) {
    // 如果rio对象的缓冲区中内容的长度小于len，读取失败
    if (sdslen(r->io.buffer.ptr)-r->io.buffer.pos < len)
        return 0; /* not enough buffer to return len bytes. */
    // 将缓冲区中的内容复制到buf
    memcpy(buf,r->io.buffer.ptr+r->io.buffer.pos,len);
    // 更新偏移量
    r->io.buffer.pos += len;
    return 1;
}

buffer的tell操作和flush操作如下：

/*  返回rio对象缓冲区的偏移量 */
static off_t rioBufferTell(rio *r) {
    return r->io.buffer.pos;
}

/*  该函数什么事也没有做，直接返回1。*/
static int rioBufferFlush(rio *r) {
    // REDIS_NOTUSED定义在redis.h文件中：#define REDIS_NOTUSED(V) ((void) V)
    REDIS_NOTUSED(r);
    return 1; /* Nothing to do, our write just appends to the buffer. */
}

根据上面定义的函数，我们就可以创建buffer rio对象：

/* 根据上面的方法定义的流为内存时使用的buffer rio对象 */
static const rio rioBufferIO = {
    rioBufferRead,
    rioBufferWrite,
    rioBufferTell,
    rioBufferFlush,
    NULL,           /* update_checksum */
    0,              /* current checksum */
    0,              /* bytes read or written */
    0,              /* read/write chunk size */
    { { NULL, 0 } } /* union for io-specific vars */
};

rioInitWithBuffer函数负责初始化buffer rio对象，创建io.buffer缓冲区。

/* 初始化buffer io对象 */
void rioInitWithBuffer(rio *r, sds s) {
    *r = rioBufferIO;
    r->io.buffer.ptr = s;
    r->io.buffer.pos = 0;
}

2、统一的读写操作接口

rio模块封装了Redis对buffer读写操作、file读写操作、socket读写操作，同时也定义了统一的read、write、tell、flus操作接口。

执行rio的写操作：

/*  将buf数组中的长度为len的字符写入rio对象中，写入成功返回1，写入失败返回0。*/
static inline size_t rioWrite(rio *r, const void *buf, size_t len) {
    while (len) {
        // 判断当前要求写入的字节数是否操作了max_processing_chunk规定的最大长度
        size_t bytes_to_write = (r->max_processing_chunk && r->max_processing_chunk < len) ? r->max_processing_chunk : len;
        // 写入新的数据时，更新校验和字段
        if (r->update_cksum) r->update_cksum(r,buf,bytes_to_write);
        // 调用write方法执行写入操作
        if (r->write(r,buf,bytes_to_write) == 0)
            return 0;
        // 更新buf下次写入的位置
        buf = (char*)buf + bytes_to_write;
        len -= bytes_to_write;
        // 更新已写入的字节数
        r->processed_bytes += bytes_to_write;
    }
    return 1;
}

执行rio的读操作：

/* 从rio对象中读出长度为len字节的数据并保存到buf数组中。读取成功返回1，读取失败返回0。*/
static inline size_t rioRead(rio *r, void *buf, size_t len) {
    while (len) {
        // 判断当前要求读出的字节数是否操作了max_processing_chunk规定的最大长度
        size_t bytes_to_read = (r->max_processing_chunk && r->max_processing_chunk < len) ? r->max_processing_chunk : len;
        // 调用read方法读出数据到buf中
        if (r->read(r,buf,bytes_to_read) == 0)
            return 0;
        // 更新buf下次写入的位置
        if (r->update_cksum) r->update_cksum(r,buf,bytes_to_read);
        buf = (char*)buf + bytes_to_read;
        len -= bytes_to_read;
        // 更新已读出的字节数
        r->processed_bytes += bytes_to_read;
    }
    return 1;
}

执行rio的tell操作：

/* 返回当前偏移量 */
static inline off_t rioTell(rio *r) {
    return r->tell(r);
}

执行rio的flush操作：

/* flush操作 */
static inline int rioFlush(rio *r) {
    return r->flush(r);
}

从上面四个函数的实现中可以看出它们都是调用rio对象内部的回调函数来执行执行相应的write、read、tell、flush操作的，这些回调函数具体完成的操作又跟rio对象是buffer rio对象还是file rio对象，亦或是socket rio对象有关。

3、其它

Redis中的rio模块还封装了一些辅助生成AOF协议的函数，这些函数主要包括：

// 以"*<count>\\r\\n"的形式将count以字符串的格式写入rio对象中，返回写入的字节数。
size_t rioWriteBulkCount(rio *r, char prefix, int count);
// 以"$<count>\\r\\n<payload>\\r\\n"格式往rio对象中写入二进制安全字符串。
size_t rioWriteBulkString(rio *r, const char *buf, size_t len);
// 以"$<count>\\r\\n<payload>\\r\\n"的格式往rio对象中写入long long类型的值。
size_t rioWriteBulkLongLong(rio *r, long long l);
// 以"$<count>\\r\\n<payload>\\r\\n"的格式往rio对象中写入double类型的值。
size_t rioWriteBulkDouble(rio *r, double d);

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Redis中的rio模块对系统I/O函数进行封装。在Redis内部实现中，RDB、AOF等都使用该模块的功能，所以这里简要介绍了rio模块的实现原理。

源码见：

1. rio.h：https://github.com/xiejingfa/the-annotated-redis-3.0/blob/master/rio.h
2. rio.c：https://github.com/xiejingfa/the-annotated-redis-3.0/blob/master/rio.c