【Redis5源码学习】浅析redis命令执行的生命周期

baiyan

引入

首先看一张我们非常熟悉的redis命令执行图：

那么思考这样一个问题，当我们连接了redis服务端之后，然后输入并执行某条redis命令：如set key1 value1。这条命令究竟是如何被发送到redis服务端的，redis服务端又是如何解析，并作出相应处理，并返回执行成功的呢？

客户端到服务端的命令传输（请求）

redis在TCP协议基础之上，封装了自己的一套协议规范，方便服务端与客户端去接收与解析数据，划清命令参数之间的边界，方便最终对以TCP字节流传输的数据进行处理。下面我们使用tcpdump来捕获redis-cli发送命令时的数据包：

tcpdump port 6379 -i lo -X

这时，我们在客户端中输入set key1 value1命令。在tcpdump中捕获的数据包如下：

第一个是客户端发送命令到redis服务端时的数据包，而第二个是redis服务端响应给客户端的数据包。我们首先只看第一个数据包，它从客户端43856端口发送到redis服务端的6379端口。首先前20个字节是IP头部，后32字节是TCP头部（由于TCP头部后面存在可选项）。
我们主要关注从“2a33”开始的数据信息，从这里开始就是redis具体的数据格式了。从右边对数据的一个ASCII码翻译也可以看到set、key1、value1的字样，中间还有一些用.表示的字符，那么这里，我们根据抓包结果分析一下redis数据传输的协议格式。

2a33：0x2a是字符"*"的ASCII码值，0x33是"3"的ASCII码值（十进制值是51）
0d0a：0d是"r"的ASCII码值，0a是"n"的ASCII码值
7365：是"s"和"e"的ASCII码值
740d：是"t"和"r"的ASCII码值
0a24：是"n"和"$"的ASCII码值
340d：是"4"和"r"的ASCII码值
0a6b：是"n"和"k"的ASCII码值
6579：是"e"和"y"的ASCII码值
310d：是"1"和"r"的ASCII码值
0a24：是"n"和"$"的ASCII码值
360d：是”6"和"r"的ASCII码值
0a76：是"n"和"v"的ASCII码值
616c：是"a"和"l"的ASCII码值
7565：是"u"和"e"的ASCII码值
310d：是"1"和"r"的ASCII码值
0a：是"n"的ASCII码值

看到这里，我们是否能够发现以下规律：

redis以"*"作为标志，表示命令的开始。在*后面紧跟的数字代表参数的个数（set key1 value1有3个参数所以为3）

redis以"$"作为命令参数的开始，后面紧跟的数字代表参数的长度（如key1的长度为4所以为$4）

redis以"rn"作为参数之间的分隔符，方便解析TCP字节流数据时定位边界位置

综合来看，客户端向服务端发送的redis数据包格式如下：

*3 \r\n set \r\n $4 \r\n key1 \r\n $6 \r\n value1 \r\n

相比FastCGI协议，redis仅仅使用几个分隔符和特殊字符，就完成了对命令的传输语法及数据格式的规范化，同时服务端通过其中定义好的分隔符，也能够方便高效地从字节流数据中解析并读取出正确的数据。这种通信协议简单高效，能够满足redis对高性能的要求。

服务端对命令的处理

既然命令已经通过redis数据传输协议安全地送达到了服务端，那么，服务端就要开始对传输过来的字节流数据进行处理啦。由于我们在协议中清晰地定义了每个参数的边界（\r\n），所以，redis服务端解析起来也非常轻松。

第一步：回调函数的使用

redis是典型事件驱动程序。为了提高单进程的redis的性能，redis采用IO多路复用技术来处理客户端的命令请求。redis会在创建客户端实例的时，指定服务端接收到客户端命令请求的事件时，所要执行的事件处理函数：

client *createClient(int fd) {
    
    client *c = zmalloc(sizeof(client));

    if (fd != -1) {
        anetNonBlock(NULL,fd); //设置非阻塞
        anetEnableTcpNoDelay(NULL,fd); //设置不采用Nagle算法，避免半包与粘包现象
        if (server.tcpkeepalive)
            anetKeepAlive(NULL,fd,server.tcpkeepalive); //设置keep-alive
        //注意这里创建了一个文件事件。当客户端读事件就绪的时候，回调readQueryFromClient()函数
        if (aeCreateFileEvent(server.el,fd,AE_READABLE,readQueryFromClient, c) == AE_ERR) {
            close(fd);
            zfree(c);
            return NULL;
        }
    }
    ... 
}

为了暂存客户端请求到服务端的字节流数据，redis封装了一个接收缓冲区，来缓存从套接字中读取的数据。后续的命令处理流程从缓冲区中读取命令数据并处理即可。缓冲区的好处在于不用一直维持读写套接字。在后续的流程中，我们只需要从缓冲区中读取数据，而不是仍从套接字中读取。这样就可以提前释放套接字，节省资源。缓冲区的建立与使用就是在之前讲过的客户端回调函数readQueryFromClient()中完成的：

void readQueryFromClient(aeEventLoop *el, int fd, void *privdata, int mask) {
   ...
    qblen = sdslen(c->querybuf); //获取缓冲区长度
    if (c->querybuf_peak < qblen) c->querybuf_peak = qblen; 
    c->querybuf = sdsMakeRoomFor(c->querybuf, readlen); //创建一个sds结构作为缓冲区
    nread = read(fd, c->querybuf+qblen, readlen); //从套接字中读取数据到缓冲区中暂存
    ...
    //真正地处理命令
    processInputBufferAndReplicate(c);
}

第二步：分发器的使用

这段代码创建并往缓冲区中写入了字节流数据，然后调用processInputBufferAndReplicate()去真正地处理命令。processInputBufferAndReplicate()函数中只是简单的调用了==processInputBuffer()函数。由于我们之前的缓冲区中已经有了客户端发给服务端的字节流数据，所以我们需要在这一层进行数据初步的筛选与处理：

void processInputBuffer(client *c) {
    // 如果缓冲区还没有处理完，继续循环处理
    while(c->qb_pos < sdslen(c->querybuf)) {
         ...
        // 对字节流数据进行定制化分发处理
        if (c->reqtype == PROTO_REQ_INLINE) { //如果是INLINE类型的请求
            if (processInlineBuffer(c) != C_OK) break;  //调用processInlineBuffer解析缓冲区数据
        } else if (c->reqtype == PROTO_REQ_MULTIBULK) {//如果是MULTIBULK类型的请求
            if (processMultibulkBuffer(c) != C_OK) break; //调用processMultibulkBuffer解析缓冲区数据
        } else { 
            serverPanic("Unknown request type");
        }

       // 开始处理具体的命令
        if (c->argc == 0) { //命令参数为0个，非法
            resetClient(c);
        } else { //命令参数不为0，合法
            // 调用processCommand()真正处理命令
            if (processCommand(c) == C_OK) { //
                ...
            }
        }
    }
}

看到这里，读者可能会有些疑惑。什么是INLINE、什么是MULTIBULK？在redis中，有两种请求命令类型：

INLINE类型：简单字符串格式，如ping命令

MULTIBULK类型：字符串数组格式。如set、get等等大部分命令都是这种类型

这个函数其实就是一个分发器。由于底层的字节流数据是无规则的，所以我们需要根据客户端的reqtype字段，去区分请求字节流数据属于那种请求类型，进而分发到对应的函数中进行处理。由于我们经常执行的命令都是MULTIBULK类型，我们也以MULTIBULK类型为例。对于set、get这种MULTIBULK请求类型，会被分发到processMultibulkBuffer()函数中进行处理。

第三步：检查接收缓冲区的数据完整性

在开启TCP的Nagle算法时，TCP会将多个redis命令请求的数据包合并或者拆分发送。这样就会出现在一个数据包中命令不完整、或者一个数据包中包含多个命令的情况。为了解决这个问题，processMultibulkBuffer()函数保证，当只有在缓冲区中包含一个完整请求时，这个函数才会成功解析完字节流中的命令参数，并返回成功状态码。否则，会break出外部的while循环，等待下一次事件循环再从套接字中读取剩余的数据，再进行对命令的解析。这样就保证了redis协议中的数据的完整性，也保证了实际命令参数的完整性。

int processMultibulkBuffer(client *c) {
    while(c->multibulklen) {
        ...
        /* 读取命令参数字节流 */
        if (sdslen(c->querybuf)-c->qb_pos < (size_t)(c->bulklen+2)) { //如果$后面代表参数长度的数字与实际命令长度不匹配（+2的位置是\r\n），说明数据不完整，直接跳出循环，等待下一次读取剩余数据
            break;
        } else { //命令完整，进行一些执行命令之前的初始化工作
            if (c->qb_pos == 0 && c->bulklen >= PROTO_MBULK_BIG_ARG && sdslen(c->querybuf) == (size_t)(c->bulklen+2)) {
                c->argv[c->argc++] = createObject(OBJ_STRING,c->querybuf); 
                sdsIncrLen(c->querybuf,-2); 
                c->querybuf = sdsnewlen(SDS_NOINIT,c->bulklen+2);
                sdsclear(c->querybuf);
            } else {
                c->argv[c->argc++] =
                    createStringObject(c->querybuf+c->qb_pos,c->bulklen);
                c->qb_pos += c->bulklen+2;
            }
            c->bulklen = -1;
            c->multibulklen--; //处理下一个命令参数
        }
    }
}

第四步：真正地处理命令

我们回到外层。当我们成功执行processMultibulkBuffer()函数之后，说明当前命令已经完整，可以对命令进行处理了。我们想一下，加入要我们去设计根据不同的命令，调用不同的处理函数，从而完成不同的功能，我们应该怎么做呢？想了想，我们可以简单写出以下代码：

if (command == "get") {
    doGetCommand(); //get命令处理函数
} else if (command == "set") {
    doSetCommand(); //set命令处理函数
} else {
    printf("非法命令")
}

以上代码非常简单，只是根据我们得到的不同命令请求，分发到不同的命令处理函数中进行定制化处理。那么redis其实也是同样的道理，那究竟redis是怎么做的呢：

int processCommand(client *c) {
    //如果是退出命令直接返回
    if (!strcasecmp(c->argv[0]->ptr,"quit")) { 
        addReply(c,shared.ok);
        c->flags |= CLIENT_CLOSE_AFTER_REPLY;
        return C_ERR;
    }
    //去字典里查找命令，并把要执行的命令处理函数赋值到c结构体中的cmd字段
    c->cmd = c->lastcmd = lookupCommand(c->argv[0]->ptr);
    // 返回值校验
    if (!c->cmd) { //没有找到该命令
        flagTransaction(c);
        sds args = sdsempty();
        int i;
        for (i=1; i < c->argc && sdslen(args) < 128; i++)
            args = sdscatprintf(args, "`%.*s`, ", 128-(int)sdslen(args), (char*)c->argv[i]->ptr);
        addReplyErrorFormat(c,"unknown command `%s`, with args beginning with: %s",
            (char*)c->argv[0]->ptr, args);
        sdsfree(args);
        return C_OK;
    } else if ((c->cmd->arity > 0 && c->cmd->arity != c->argc) || //命令参数不匹配
               (c->argc < -c->cmd->arity)) {
        flagTransaction(c);
        addReplyErrorFormat(c,"wrong number of arguments for '%s' command",
            c->cmd->name);
        return C_OK;
    }
   // 真正执行命令
    if (c->flags & CLIENT_MULTI &&
        c->cmd->proc != execCommand && c->cmd->proc != discardCommand &&
        c->cmd->proc != multiCommand && c->cmd->proc != watchCommand)
    {
        queueMultiCommand(c);
        addReply(c,shared.queued);
    } else { //真正执行命令
        call(c,CMD_CALL_FULL); //核心函数
        c->woff = server.master_repl_offset;
        if (listLength(server.ready_keys))
            handleClientsBlockedOnKeys();
    }
    return C_OK;
}

在这个函数中，最重要的就是lookupCommand()函数和call()函数的调用了。在redis中，所有命令都存储在一个字典中，这个字典长这样：

struct redisCommand redisCommandTable[] = {
    {"module",moduleCommand,-2,"as",0,NULL,0,0,0,0,0},
    {"get",getCommand,2,"rF",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"set",setCommand,-3,"wm",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"setnx",setnxCommand,3,"wmF",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"setex",setexCommand,4,"wm",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"psetex",psetexCommand,4,"wm",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"append",appendCommand,3,"wm",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"strlen",strlenCommand,2,"rF",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"del",delCommand,-2,"w",0,NULL,1,-1,1,0,0},
    {"unlink",unlinkCommand,-2,"wF",0,NULL,1,-1,1,0,0},
    {"exists",existsCommand,-2,"rF",0,NULL,1,-1,1,0,0},
    {"setbit",setbitCommand,4,"wm",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"getbit",getbitCommand,3,"rF",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"bitfield",bitfieldCommand,-2,"wm",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"setrange",setrangeCommand,4,"wm",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"getrange",getrangeCommand,4,"r",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"substr",getrangeCommand,4,"r",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"incr",incrCommand,2,"wmF",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"decr",decrCommand,2,"wmF",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"mget",mgetCommand,-2,"rF",0,NULL,1,-1,1,0,0},
    {"rpush",rpushCommand,-3,"wmF",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"lpush",lpushCommand,-3,"wmF",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"rpushx",rpushxCommand,-3,"wmF",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"lpushx",lpushxCommand,-3,"wmF",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"linsert",linsertCommand,5,"wm",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"rpop",rpopCommand,2,"wF",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"lpop",lpopCommand,2,"wF",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"brpop",brpopCommand,-3,"ws",0,NULL,1,-2,1,0,0},
    {"brpoplpush",brpoplpushCommand,4,"wms",0,NULL,1,2,1,0,0},
    {"blpop",blpopCommand,-3,"ws",0,NULL,1,-2,1,0,0},
    {"llen",llenCommand,2,"rF",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"lindex",lindexCommand,3,"r",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"lset",lsetCommand,4,"wm",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"lrange",lrangeCommand,4,"r",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"ltrim",ltrimCommand,4,"w",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"lrem",lremCommand,4,"w",0,NULL,1,1,1,0,0},
    ...
};

我们可以看到，这个字典是所有命令的集合，我们调用lookupCommand就是从这里获取命令及命令的相关信息的。它是一个结构体数组，包含所有命令名称、命令处理函数、参数个数、以及种种标记。其实这里就相当于一个配置信息的维护，以及命令道处理函数名称的映射关系，从而很好的解决了我们一开始使用if-else来分发命令处理函数的难以维护、可扩展性差的问题。
在我们成功在字典中找到一个命令的处理函数之后，我们只需要去调用相应的命令处理函数就好啦。上面最后的call()函数中就对相应的命令处理函数进行了调用，并返回调用结果给客户端。比如，setCommand()就是set命令的实际处理函数：

void setCommand(client *c) {
    int j;
    robj *expire = NULL;
    int unit = UNIT_SECONDS;
    int flags = OBJ_SET_NO_FLAGS;

    for (j = 3; j < c->argc; j++) {
        char *a = c->argv[j]->ptr;
        robj *next = (j == c->argc-1) ? NULL : c->argv[j+1];

        if ((a[0] == 'n' || a[0] == 'N') &&
            (a[1] == 'x' || a[1] == 'X') && a[2] == '\0' &&
            !(flags & OBJ_SET_XX))
        {
            flags |= OBJ_SET_NX;
        } else if ((a[0] == 'x' || a[0] == 'X') &&
                   (a[1] == 'x' || a[1] == 'X') && a[2] == '\0' &&
                   !(flags & OBJ_SET_NX))
        {
            flags |= OBJ_SET_XX;
        } else if ((a[0] == 'e' || a[0] == 'E') &&
                   (a[1] == 'x' || a[1] == 'X') && a[2] == '\0' &&
                   !(flags & OBJ_SET_PX) && next)
        {
            flags |= OBJ_SET_EX;
            unit = UNIT_SECONDS;
            expire = next;
            j++;
        } else if ((a[0] == 'p' || a[0] == 'P') &&
                   (a[1] == 'x' || a[1] == 'X') && a[2] == '\0' &&
                   !(flags & OBJ_SET_EX) && next)
        {
            flags |= OBJ_SET_PX;
            unit = UNIT_MILLISECONDS;
            expire = next;
            j++;
        } else {
            addReply(c,shared.syntaxerr);
            return;
        }
    }

    c->argv[2] = tryObjectEncoding(c->argv[2]);
    setGenericCommand(c,flags,c->argv[1],c->argv[2],expire,unit,NULL,NULL);
}

这个函数首先对NX、EX参数进行了判断及处理，最终调用了setGenericCommand()，来执行set命令的通用逻辑部分：

void setGenericCommand(client *c, int flags, robj *key, robj *val, robj *expire, int unit, robj *ok_reply, robj *abort_reply) {
    long long milliseconds = 0; /* initialized to avoid any harmness warning */

    if (expire) {
        if (getLongLongFromObjectOrReply(c, expire, &milliseconds, NULL) != C_OK)
            return;
        if (milliseconds <= 0) {
            addReplyErrorFormat(c,"invalid expire time in %s",c->cmd->name);
            return;
        }
        if (unit == UNIT_SECONDS) milliseconds *= 1000;
    }

    if ((flags & OBJ_SET_NX && lookupKeyWrite(c->db,key) != NULL) ||
        (flags & OBJ_SET_XX && lookupKeyWrite(c->db,key) == NULL))
    {
        addReply(c, abort_reply ? abort_reply : shared.nullbulk);
        return;
    }
    setKey(c->db,key,val);
    server.dirty++;
    if (expire) setExpire(c,c->db,key,mstime()+milliseconds);
    notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_STRING,"set",key,c->db->id);
    if (expire) notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_GENERIC,
        "expire",key,c->db->id);
    addReply(c, ok_reply ? ok_reply : shared.ok);
}

最终会调用addReply()通用返回函数，应该是要把执行结果返回给客户端了。我们看看该函数里面做了些什么：

void addReply(client *c, robj *obj) {
    if (prepareClientToWrite(c) != C_OK) return;

    if (sdsEncodedObject(obj)) {
        if (_addReplyToBuffer(c,obj->ptr,sdslen(obj->ptr)) != C_OK)
            _addReplyStringToList(c,obj->ptr,sdslen(obj->ptr));
    } else if (obj->encoding == OBJ_ENCODING_INT) {
        char buf[32];
        size_t len = ll2string(buf,sizeof(buf),(long)obj->ptr);
        if (_addReplyToBuffer(c,buf,len) != C_OK)
            _addReplyStringToList(c,buf,len);
    } else {
        serverPanic("Wrong obj->encoding in addReply()");
    }
}

我们仔细阅读这段代码，好像并没有找到执行结果是什么时候返回给客户端的。在这个函数中，只是将返回结果添加到了输出缓冲区中，一个命令就执行完了。那么究竟是什么时候返回的呢？是否还记得在介绍开启事件循环时，提到函数beforesleep()会在每次事件循环阻塞等待文件事件之前执行，主要执行一些不是很费时的操作，比如过期键删除操作，向客户端返回命令回复等。这样，就可以减节省返回执行结果时的网络通信开销，将同一个客户端上的多个命令的多次返回，对多个命令做一个缓存，最终一次性统一返回，减少了返回的次数，提高了性能。

客户端到服务端的命令传输（响应）

执行完set key1 value1命令之后，我们得到了一个"OK"的返回，代表命令执行成功。其实我们仔细观察上面返回的第二个数据包，其实底层是一个"+OK"的返回值。那么为什么要有一个+号呢？因为除了我们上面讲过的set命令，还有get命令、lpush命令等等，他们的返回值都是不一样的。get会返回数据集合、lpush会返回一个整数，代表列表的长度等等。一个字符串的表示是远远不能满足需要的。所以在redis通信协议中，一共定义了五种返回值结构。客户端通过每种返回结构的第一个字符，来判断是哪种类型的返回值：

状态回复：第一个字符是“+”；例如，SET命令执行完毕会向客户端返回“+OK\r\n”。

错误回复：第一个字符是“-”；例如，当客户端请求命令不存在时，会向客户端返回“-ERR unknown command 'testcmd'”。

整数回复：第一个字符是“:”；例如，INCR命令执行完毕向客户端返回“:100\r\n”。

批量回复：第一个字符是“$”；例如，GET命令查找键向客户端返回结果“$5\r\nhello\r\n”，其中$5表示返回字符串长度。

多条批量回复：第一个字符是“”；例如，LRANGE命令可能会返回多个多个值，格式为“3\r\n$6\r\nvalue1\r\n$6rnvalue2rn$6\r\nvalue3\r\n”，与命令请求协议格式相同，“\*3”表示返回值数目，“$6”表示当前返回值字符串长度，多个返回值用“\r\n”分隔开。

我们执行set命令就是第一种类型，即状态回复。客户端通过+号，就能够知道这是状态回复，从而就知道该如何读取后面的字节流内容了。

总结

至此，我们就走完了一个redis命令的完整生命周期，同时也了解了redis通信协议的格式与规范。接下来，我将会深入每一个命令的实现，大家加油。

参考资料

【Redis源码分析】Redis命令处理生命周期

【Redis5源码学习】浅析redis命令执行的生命周期

引入

客户端到服务端的命令传输（请求）

服务端对命令的处理

第一步：回调函数的使用

第二步：分发器的使用

第三步：检查接收缓冲区的数据完整性

第四步：真正地处理命令

客户端到服务端的命令传输（响应）

总结

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