曹工说Redis源码（3）-- redis server 启动过程完整解析（中）

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Redis源码系列的初衷，是帮助我们更好地理解Redis，更懂Redis，而怎么才能懂，光看是不够的，建议跟着下面的这一篇，把环境搭建起来，后续可以自己阅读源码，或者跟着我这边一起阅读。由于我用c也是好几年以前了，些许错误在所难免，希望读者能不吝指出。

曹工说Redis源码（1）-- redis debug环境搭建，使用clion，达到和调试java一样的效果

曹工说Redis源码（2）-- redis server 启动过程解析及简单c语言基础知识补充

本讲主题#

首先，会再补充一点c语言中，指针的相关知识；接下来，开始接着昨天的那篇，讲redis的启动过程，由大到小来讲，避免迅速陷入到细节中。

关于指针的理解#

指针，其实就是指向一个内存地址，在知道这个地址前后存储的内容的前提下，这个指针可以被你任意解释。我举个例子：

Copy
typedef struct Test_Struct{
    int a;
    int b;
}Test_Struct;

int main() {
    // 1
    void *pVoid = malloc(4);
    // 2
    memset(pVoid,0x01,4);

    // 3
    int *pInt = pVoid;
    // 4
    char *pChar = pVoid;
    // 5
    short *pShort = pVoid;
    // 6
    Test_Struct *pTestStruct = pVoid;

    // 7
    printf("address:%p, point to %d\n", pChar, *pChar);
    printf("address:%p, point to %d\n", pShort, *pShort);
    printf("address:%p, point to %d\n", pInt, *pInt);
    printf("address:%p, point to %d\n", pTestStruct, pTestStruct->a);
}

• 1处，分配一片内存，4个字节，32位；返回一个指针，指向这片内存区域，准确地说，指向第一个字节，因为分配的内存是连续的，你可以理解为数组。

  The malloc() function allocates size bytes and returns a pointer to the allocated memory.

• 2处，调用memset，将这个pVoid 指向的内存开始的4个字节，设置为0x01，其实就是把每个字节设置为00000001。

  这个memset的注释如下：

  Copy
  NAME
         memset - fill memory with a constant byte
  
  SYNOPSIS
         #include <string.h>
  
         void *memset(void *s, int c, size_t n);
  
  DESCRIPTION
         The memset() function fills the first n bytes of the memory area pointed to by s with the constant byte c.
  

  参考资料： https://www.cnblogs.com/yhlboke-1992/p/9292877.html

  这里我们把每个字节，设为0x01，最终的二进制，其实就是如下这样：

  

• 3处，定义int类型的指针，将pVoid赋值给它，int占4字节

• 4处，定义char类型的指针，将pVoid赋值给它，char占1字节

• 5处，定义short类型的指针，将pVoid赋值给它，short占2字节

• 6处，定义Test_Struct类型的指针，这是个结构体，类似于高级语言的类，这个结构体的结构如下：

  Copy
  typedef struct Test_Struct{
      int a;
      int b;
  }Test_Struct;
  

  同样，我们将pVoid赋值给它。

• 7处，分别打印各类指针的地址，和对其解引用后的值。

输出如下：

257的二进制就是：0000 0001 0000 0001

16843009的二进制就是：0000 0001 0000 0001 0000 0001 0000 0001

结构体那个，也好理解，因为这个结构体，第一个属性a，就是int类型的，占4个字节。

另外，大家要注意，上面输出的指针地址都是一模一样的。

如果大家能理解这个demo，再看看这个链接，相信会更加理解指针：

C 指针的算术运算

redis server大致的启动过程#

Copy
int main(int argc, char **argv) {
    struct timeval tv;

    /**
     * 1 设置时区等等
     */
    setlocale(LC_COLLATE,"");
    ...

    // 2 检查服务器是否以 Sentinel 模式启动
    server.sentinel_mode = checkForSentinelMode(argc,argv);

    // 3 初始化服务器配置
    initServerConfig();

	// 4
    if (server.sentinel_mode) {
        initSentinelConfig();
        initSentinel();
    }

    // 5 检查用户是否指定了配置文件，或者配置选项
    if (argc >= 2) {
        ...
        // 载入配置文件， options 是前面分析出的给定选项
        loadServerConfig(configfile,options);
        sdsfree(options);
    }

    // 6 将服务器设置为守护进程
    if (server.daemonize) daemonize();

    // 7 创建并初始化服务器数据结构
    initServer();

    // 8 如果服务器是守护进程，那么创建 PID 文件
    if (server.daemonize) createPidFile();

    // 9 为服务器进程设置名字
    redisSetProcTitle(argv[0]);

    // 10 打印 ASCII LOGO
    redisAsciiArt();

    // 11 如果服务器不是运行在 SENTINEL 模式，那么执行以下代码
    if (!server.sentinel_mode) {
        // 从 AOF 文件或者 RDB 文件中载入数据
        loadDataFromDisk();
        // 启动集群
        if (server.cluster_enabled) {
            if (verifyClusterConfigWithData() == REDIS_ERR) {
                redisLog(REDIS_WARNING,
                    "You can't have keys in a DB different than DB 0 when in "
                    "Cluster mode. Exiting.");
                exit(1);
            }
        }
        // 打印 TCP 端口
        if (server.ipfd_count > 0)
            redisLog(REDIS_NOTICE,"The server is now ready to accept connections on port %d", server.port);
    } else {
        sentinelIsRunning();
    }

    // 12 运行事件处理器，一直到服务器关闭为止
    aeSetBeforeSleepProc(server.el,beforeSleep);
    aeMain(server.el);

    // 13 服务器关闭，停止事件循环
    aeDeleteEventLoop(server.el);

    return 0;
}

• 1，2，3处，在前面那篇中已经讲过，主要是初始化各种配置参数，比如socket相关的；redis.conf中涉及的，aof，rdb，replication，sentinel等；redis server自己内部的数据结构等，如runid，配置文件地址，服务器的相关信息（32位还是64位，因为redis直接运行在操作系统上，而不是像高级语言有虚拟机，32位和64位下，不同数据的长度是不同的），日志级别，最大客户端数量，客户端最大idle时间等等

• 4处，因为sentinel和普通的redis server其实是共用同一份代码，所以这里启动时，要看是启动sentinel，还是启动普通的redis server，如果是启动sentinel，则进行sentinel相关配置

• 5处，检查启动时的命令行参数中，是否指定了配置文件，如果指定了，要使用配置文件的配置为准

• 6处，设置为守护进程

• 7处，根据前面的配置，初始化redis server

• 8处，创建pid文件，一般默认路径：/var/run/redis.pid，这个可以在redis.conf进行配置，如：

  pidfile "/var/run/redis_6379.pid"

• 9处，为服务器进程设置名字

• 10处，打印logo

• 11处，如果不是sentinel模式启动的话，加载aof或rdb文件

• 12处，跳入死循环，开始等待接收连接，处理客户端的请求；同时，周期执行后台任务，比如删除过期key等

• 13处，服务器关闭，一般来说，走不到这里，一般都是陷入在12处的死循环中；只有在某些场景下，将一个全局变量stop修改为true后，程序会从12处跳出死循环，然后走到这里。

初始化redis server的过程#

这一节，主要是细化前面的第7步操作，即初始化redis server。这一个函数,位于redis.c中，名为initServer，做的事情很多，接下来会顺序讲解。

设置全局的信号处理函数#

Copy
    // 设置信号处理函数
    signal(SIGHUP, SIG_IGN);
    signal(SIGPIPE, SIG_IGN);
    setupSignalHandlers();

最重要的是最后一行：

Copy
void setupSignalHandlers(void) {
    // 1
    struct sigaction act;

    /* When the SA_SIGINFO flag is set in sa_flags then sa_sigaction is used.
     * Otherwise, sa_handler is used. */
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;
    // 2
    act.sa_handler = sigtermHandler;
    // 3
    sigaction(SIGTERM, &act, NULL);

    return;
}

3处，设置了：接收到SIGTERM信号时，使用act来处理信号，act在1处定义，是一个局部变量，它有一个字段，在2处被赋值，这是一个函数指针。函数指针类似于java中的一个static方法的引用，为什么是static，因为执行这类方法不需要new一个对象；在c语言中，所有的方法都是最顶级的，调用时，不需要new一个对象；所以，从这点来说，c语言的函数指针类似java中的static方法的引用。

我们可以看看2处，

Copy
    act.sa_handler = sigtermHandler;

这个sigtermHandler，应该就是一个全局函数了，看看其怎么被定义的：

Copy
// SIGTERM 信号的处理器
static void sigtermHandler(int sig) {
    REDIS_NOTUSED(sig);

    redisLogFromHandler(REDIS_WARNING,"Received SIGTERM, scheduling shutdown...");
    
    // 打开关闭标识
    server.shutdown_asap = 1;
}

这个函数就是打开server这个全局变量的shutdown_asap。这个字段在以下地方被使用：

Copy
serverCron in redis.c
    
	/* We received a SIGTERM, shutting down here in a safe way, as it is
     * not ok doing so inside the signal handler. */
    // 服务器进程收到 SIGTERM 信号，关闭服务器
    if (server.shutdown_asap) {

        // 尝试关闭服务器
        if (prepareForShutdown(0) == REDIS_OK) exit(0);

        // 如果关闭失败，那么打印 LOG ，并移除关闭标识
        redisLog(REDIS_WARNING,"SIGTERM received but errors trying to shut down the server, check the logs for more information");
        server.shutdown_asap = 0;
    }

以上这段代码的第一行，标识了这段代码所处的位置，为redis.c中的serverCron函数，这个函数，就是redis server的周期执行函数，类似于java中的ScheduledThreadPoolExecutor，当这个周期任务，检测到server.shutdown_asap打开后，就会去关闭服务器。

那，上面这个接收到信号，要执行的动作说完了，那么，什么是信号，信号其实是linux下进程间通讯的一种手段，比如kill -9 ，就会给对应的pid，发送一个SIGKILL 命令；在redis前台运行时，你按下ctrl + c，其实也是发送了一个信号，信号为SIGINT，值为2。大家可以看下图：

那么，前面我们注册的信号是哪个呢，是：SIGTERM，15。也就是我们按下kill -15时，会触发这个信号。

关于kill 9 和kill 15的差别，可以看这篇博客：

Linux kill -9 和 kill -15 的区别

开启syslog#

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// 设置 syslog
if (server.syslog_enabled) {
    openlog(server.syslog_ident, LOG_PID | LOG_NDELAY | LOG_NOWAIT,
        server.syslog_facility);
}

这个就是发送日志到linux系统的syslog，可以看看openlog函数的说明：

send messages to the system logger

这个感觉用得不多，可以查阅：

redis 的syslog日志没有打印出来的探索过程

初始化当前redisServer的部分属性#

Copy
	// 初始化并创建数据结构
    server.current_client = NULL;
	// 1
    server.clients = listCreate();
    server.clients_to_close = listCreate();
    server.slaves = listCreate();
    server.monitors = listCreate();
    server.slaveseldb = -1; /* Force to emit the first SELECT command. */
    server.unblocked_clients = listCreate();
    server.ready_keys = listCreate();
    server.clients_waiting_acks = listCreate();
    server.get_ack_from_slaves = 0;
    server.clients_paused = 0;

这个其实没啥说的，大家看到，比如1处，这个server.clients，server是一个全局变量，维护当前redis server的各种状态，clients呢，是用来保存当前连接到redis server的客户端，类型为链表：

Copy
    // 一个链表，保存了所有客户端状态结构
    list *clients;              /* List of active clients */

所以，这里其实就是调用listCreate()，创建了一个空链表，然后赋值给clients。

其他属性，类似。

创建常量字符串池，供复用#

大家知道，redis在返回响应的时候，通常就是一句："+OK"之类的。这个字符串，如果每次响应的时候，再去new一个，也太浪费了，所以，干脆，redis自己把这些常用的字符串，缓存了起来。

Copy
void createSharedObjects(void) {
    int j;

    // 常用回复
    shared.crlf = createObject(REDIS_STRING,sdsnew("\r\n"));
    shared.ok = createObject(REDIS_STRING,sdsnew("+OK\r\n"));
    shared.err = createObject(REDIS_STRING,sdsnew("-ERR\r\n"));
    ...
    // 常用错误回复
    shared.wrongtypeerr = createObject(REDIS_STRING,sdsnew(
        "-WRONGTYPE Operation against a key holding the wrong kind of value\r\n"));
    ...
}

这个和java中，把字符串字面量缓存起来，是一样的，都是为了提高性能；java里，不是还把128以内的整数也缓存了吗，对吧。

调整进程可以打开的最大文件数#

服务器一般在真实线上环境，如果是需要应对高并发的话，可能会有几十上百万的客户端，和服务器上的某个进程，建立tcp连接，而这时候，一般就需要调整进程可以打开的最大文件数（socket也是文件）。

在阅读redis源码之前，我知道的，修改进程可以打开的最大文件数的方式是通过ulimit，具体的，大家可以看下面这两个链接：

linux最大文件句柄数量总结

Elasticsearch之优化

但是，在这个源码中，发现了另外一种方式：

• 获取当前的指定资源的限制值的api

Copy
#define RLIMIT_NOFILE	5		/* max number of open files */
    
struct rlimit {
	rlim_t	rlim_cur;
	rlim_t	rlim_max;
};
struct rlimit limit;

getrlimit(RLIMIT_NOFILE,&limit)

上面这个代码，获取当前系统中，NOFILE（进程最大文件数）这个值的资源限制大小。

通过man getrlimit（需要先安装，安装方式:yum install man-pages.noarch），可以看到：

• setrlimit则可以设置资源的相关限制

  Copy
  limit.rlim_cur = f;
  limit.rlim_max = f;
  setrlimit(RLIMIT_NOFILE,&limit)
  

创建事件循环相关数据结构#

事件循环器的结构如下：

Copy
/* 
 * State of an event based program 
 *
 * 事件处理器的状态
 */
typedef struct aeEventLoop {

    // 目前已注册的最大描述符
    int maxfd;   /* highest file descriptor currently registered */

    // 目前已追踪的最大描述符
    int setsize; /* max number of file descriptors tracked */

    // 用于生成时间事件 id
    long long timeEventNextId;

    // 最后一次执行时间事件的时间
    time_t lastTime;     /* Used to detect system clock skew */

    // 已注册的文件事件
    aeFileEvent *events; /* Registered events */

    // 已就绪的文件事件
    aeFiredEvent *fired; /* Fired events */

    // 时间事件
    aeTimeEvent *timeEventHead;

    // 事件处理器的开关
    int stop;

    // 多路复用库的私有数据
    void *apidata; /* This is used for polling API specific data */

    // 在处理事件前要执行的函数
    aeBeforeSleepProc *beforesleep;

} aeEventLoop;

初始化上面这个数据结构的代码在：aeCreateEventLoop in redis.c

上面这个结构中，主要就是：

1. apidata中，主要用于存储多路复用库的相关数据，每次调用多路复用库，去进行select时，如果发现有就绪的io事件发生，就会存放到 fired 属性中。

   比如，select就是linux下，老版本的linux内核中，多路复用的一种实现，redis中，其代码如下：

   Copy
   static int aeApiPoll(aeEventLoop *eventLoop, struct timeval *tvp) {
   	...
   	// 1
       retval = select(eventLoop->maxfd+1,
                   &state->_rfds,&state->_wfds,NULL,tvp);
       if (retval > 0) {
           for (j = 0; j <= eventLoop->maxfd; j++) {
   			...
               // 2
               eventLoop->fired[numevents].fd = j;
               eventLoop->fired[numevents].mask = mask;
               numevents++;
           }
       }
       return numevents;
   }
   

   省略了部分代码，其中，1处，进行select，这一步类似于java中nio的select操作；2处，将select返回的，已就绪的文件描述符，填充到fired 属性。

2. 另外，我们提到过，redis有一些后台任务，比如清理过期key，这个不是一蹴而就的；每次周期运行后台任务时，就会去清理一部分，而这里的后台任务，其实就是上面这个数据结构中的时间事件。

   Copy
       // 时间事件
       aeTimeEvent *timeEventHead;
   

分配16个数据库的内存空间#

Copy
server.db = zmalloc(sizeof(redisDb) * server.dbnum);

打开listen端口，监听请求#

Copy
    /* Open the TCP listening socket for the user commands. */
    // 打开 TCP 监听端口，用于等待客户端的命令请求
    listenToPort(server.port, server.ipfd, &server.ipfd_count)

这里就是打开平时的6379端口的地方。

初始化16个数据库对应的数据结构#

Copy
    /* Create the Redis databases, and initialize other internal state. */
    // 创建并初始化数据库结构
    for (j = 0; j < server.dbnum; j++) {
        server.db[j].dict = dictCreate(&dbDictType, NULL);
        server.db[j].expires = dictCreate(&keyptrDictType, NULL);
        server.db[j].blocking_keys = dictCreate(&keylistDictType, NULL);
        server.db[j].ready_keys = dictCreate(&setDictType, NULL);
        server.db[j].watched_keys = dictCreate(&keylistDictType, NULL);
        server.db[j].eviction_pool = evictionPoolAlloc();
        server.db[j].id = j;
        server.db[j].avg_ttl = 0;
    }

db的数据结构如下：

Copy
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
    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;

这里可以看到，设置了过期时间的key，除了会在 dict 属性存储，还会新增一条记录到 expires 字典。

expires字典的key：执行键的指针；value：过期时间。

创建pub/sub相关数据结构并初始化#

Copy
    // 创建 PUBSUB 相关结构
    server.pubsub_channels = dictCreate(&keylistDictType, NULL);
    server.pubsub_patterns = listCreate();

初始化部分统计属性#

Copy
	// serverCron() 函数的运行次数计数器
    server.cronloops = 0;
    // 负责执行 BGSAVE 的子进程的 ID
    server.rdb_child_pid = -1;
    // 负责进行 AOF 重写的子进程 ID
    server.aof_child_pid = -1;
    aofRewriteBufferReset();
    // AOF 缓冲区
    server.aof_buf = sdsempty();
    // 最后一次完成 SAVE 的时间
    server.lastsave = time(NULL); /* At startup we consider the DB saved. */
    // 最后一次尝试执行 BGSAVE 的时间
    server.lastbgsave_try = 0;    /* At startup we never tried to BGSAVE. */
    server.rdb_save_time_last = -1;
    server.rdb_save_time_start = -1;
    server.dirty = 0;
    resetServerStats();
    /* A few stats we don't want to reset: server startup time, and peak mem. */
    //  服务器启动时间
    server.stat_starttime = time(NULL);
    //  已使用内存峰值
    server.stat_peak_memory = 0;
    server.resident_set_size = 0;
    // 最后一次执行 SAVE 的状态
    server.lastbgsave_status = REDIS_OK;
    server.aof_last_write_status = REDIS_OK;
    server.aof_last_write_errno = 0;
    server.repl_good_slaves_count = 0;
    updateCachedTime();

设置时间事件对应的函数指针#

Copy
    /* Create the serverCron() time event, that's our main way to process
     * background operations. */    
	// 为 serverCron() 创建时间事件
    if (aeCreateTimeEvent(server.el, 1, serverCron, NULL, NULL) == AE_ERR) {
        redisPanic("Can't create the serverCron time event.");
        exit(1);
    }

这里的serverCron就是一个函数，后续每次周期触发时间事件时，就会运行这个serverCron。

可以看这里的英文注释，作者也提到，这是主要的处理后台任务的方式。

这块以后也会重点分析。

设置connect事件对应的连接处理器#

Copy
aeCreateFileEvent(server.el, server.ipfd[j], AE_READABLE, acceptTcpHandler, NULL)

这里的acceptTcpHandler就是处理新连接的函数：

Copy
void acceptTcpHandler(aeEventLoop *el, int fd, void *privdata, int mask) {
    int cport, cfd, max = MAX_ACCEPTS_PER_CALL;
    char cip[REDIS_IP_STR_LEN];
    REDIS_NOTUSED(el);
    REDIS_NOTUSED(mask);
    REDIS_NOTUSED(privdata);

    while (max--) {
        // accept 客户端连接
        cfd = anetTcpAccept(server.neterr, fd, cip, sizeof(cip), &cport);
        if (cfd == ANET_ERR) {
            if (errno != EWOULDBLOCK)
                redisLog(REDIS_WARNING,
                         "Accepting client connection: %s", server.neterr);
            return;
        }
        // 为客户端创建客户端状态（redisClient）
        acceptCommonHandler(cfd, 0);
    }
}

创建aof文件#

如果aof打开了，就需要创建aof文件。

Copy
    if (server.aof_state == REDIS_AOF_ON) {
        server.aof_fd = open(server.aof_filename,
                             O_WRONLY | O_APPEND | O_CREAT, 0644);
    }

剩下的几个，暂时不涉及的任务#

Copy
    // 如果服务器以 cluster 模式打开，那么初始化 cluster
    if (server.cluster_enabled) clusterInit();

    // 初始化复制功能有关的脚本缓存
    replicationScriptCacheInit();

    // 初始化脚本系统
    scriptingInit();

    // 初始化慢查询功能
    slowlogInit();

    // 初始化 BIO 系统
    bioInit();

上面的几个，我们暂时还讲解不到，先看看就行。

到此，初始化redis server，就基本结束了。

总结#

本讲内容较多，主要是redis启动过程中，要做的事，也太多了。希望我已经大致讲清楚了，其中，连接处理器那些都只是大致讲了，后面会继续。谢谢大家。

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