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Redis实现之虚拟存储系统（VM）实现(四)–线程式虚存（Threaded VM）交换

2011年8月6日 sigma 7 条评论 6,480 views

非阻塞虚存的几种实现选择

由于阻塞式虚存实现有各种缺点，因此，Redis实现了非阻塞式的虚存系统。实现非阻塞式虚存系统有以下几种方法：

  1. 最显然的方法，就是把整个redis做成多线程的，每个数据库操作都是自动分配到某个线程（或者fork一个新的线程），这样就不存在阻塞的问题。但是这对redis不是一个好的解决方案，因为为了实现提高操作速度，redis没有锁，保证原子性是通过顺序执行来保证的，因此整个redis引入多线程要增加锁，导致速度变慢（也许多核上能快点），并且极大增加代码量（现在redis只有1万行代码）。
  2. 通过非阻塞式IO实现，由于redis是基于事件循环的（event-loop based），可以采用非阻塞IO。但redis的作者基于以下两点把这个否了：①非阻塞文件操作不像sockets，会导致很多不兼容的问题，这和操作系统紧密相关，要做很多和操作系统相关的工作。②另外一个原因就是，在虚存中，文件IO操作仅仅是一部分，还有很多事件花在数据的编解码上面（编解码成交换文件swap file）。
  3. 于是就剩下最后一种方法，通过增加IO线程来完成数据交换。

下面，具体介绍第三种实现，即IO线程：

IO线程

IO线程的设计目标依重要性排列如下：

  • 实现简单：尽量减少数据冲突（race）的可能性；用简单的锁；VM的代码要能够和Redis的其他代码分离（个人感觉这符合设计正交性原则）。
  • 高性能，对于客户端访问数据不会造成锁（等待）。
  • IO线程要能够编解码交换文件（针对第二种实现的缺点2）。

鉴于以上目标，Redis 的非阻塞VM实现的方式为，实现了一个redis主线程（实际和客户端交互的线程，处理请求），以及一些通过一个简单的信号量（mutex）和任务队列进行通信的IO进程。简单的说，主线程将IO请求交给IO线程进行后台处理（通过将一个（IO）任务结构交给server.io_newjobs队列）。假如没有IO进程，则新建一个。有些IO进程完成IO任务后，结果将发送到server.io_processed队列。IO进程将通过UNIX管道给主进程一个信号，以便告知已经完成，可以继续新的任务。

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Redis实现之虚拟存储系统（VM）实现(三)–阻塞式虚存（Blocking VM）交换

2011年7月24日 sigma 2 条评论 5,272 views

个人理解，所谓阻塞式虚存（Blocking VM），是指redis发生数据交换时，进程被阻塞，不能干其他的事情（后面一篇文章将讲到Threaded VM相反，有独立VM线程）。

在Redis中，启用阻塞式虚存需要在配置文件中将server.vm_max_threads设成0（即不为Threaded VM），和VM另一个相关配置变量是sever.vm_max_memory，它表示Redis中数数据所占用的最大内存（实际上运行过程中可能大于这个值），只有数据量占用内存大于这个值时，才会出现数据交换到disk。

交换到硬盘

数据交换是通过一个计划任务函数（cron function）实现的。这个函数每隔一定的时间会检查是否超出了内存最大值（out of memory）。假如发现超出了最大值，则通过循环调用vmSwapOneObject（这个函数只有一个参数，0表示阻塞式，1表示线程式）来将数据交换到硬盘。

vmSwapOneObject实现如下：

  1. 和Cache替换一样，很关键的一点就是需要找到需要交换出去的Object，使得交换代价最小（后面会讲redis是如何决定的）。
  2. 被交换出去的object关联的值（value）通过阻塞式被交换到硬盘。
  3. key的storage域被设置成REDIS_VM_SWAPPED，vm域也将改写，包括页表索引值，以及所占用的页数。
  4. 释放被swap的object的内存，在哈希表（hash table）中将对应的value的入口设置成NULL。

这个函数一直被调用，直到如下情况：swap空间已满，或者数据对象占用的内存小于sever.vm_max_memory。

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Redis实现之虚拟存储系统（VM）实现(二)–数据交换（Swap）的实现

2011年7月17日 sigma 4 条评论 54,361 views

Redis的虚拟存储系统（VM subsystem）的目的是实现将Redis对象（Redis Objects）方便的在主存（Memory）和硬盘（Disk）之间交换。在Redis虚拟存储系统中，Redis仅仅会将和值（Values）关联的对象交换（swap）到硬盘上。在前一篇日志中，对VM涉及的数据结构进行简要介绍，在这篇日志中，将介绍数据交换的具体过程。

在具体讲Redis数据交换的具体实现之前，有必要讲下swap文件，swap文件是由若干页（page）组成的，每页包含着给定字节数的数据。由于不同的redis实例的最优配置不一样（取决于你实际存储数据的大小），这些参数可以通过redis.conf文件进行修改。下面是默认的大小：

 vm-page-size 32
vm-pages 134217728

Redis使用位向量（英文为bitmap，这是一些连续的位，每位的值为0或1）来表示在硬盘中page是否被使用。假如一个给定位是1，则表示该页被使用（有swap文件存在上面），为0，表示该页未被使用。

通过在内存中使用位向量(下面将称为页表位向量)，可以在很少的内存消耗情况下取得巨大的性能提升，因为我们仅仅只需要为每页提供一位。对于上面的默认配置，总共有4G的虚存，但是只需要16M的内存给页表位向量。

为了将主存上的数据交换到交换空间，我们需要做如下步骤（假设没有使用虚存线程，仅仅是块实现）。

  1. 找出需要多少页来存储交换文件。这仅仅需要通过调用rdbSavedObjectPages函数即可返回需要的页数。
  2. 知道需要的页数后，我们需要找到交换空间中一些连续的页来存储。这是通过vmFindContiguousPages函数实现的。这个函数有可能因为内存满了而失败，也有可能因为找不到连续的页失败。当这种情况发生时，交换将被取消，数据将继续保存在内存中。
  3. 最终，我们只需要调用vmWriteObjectOnSwap函数即可以将数据交换到对应的位置。数据交换完成后，对应的主存被释放，对应的key也被标记为REDIS_VM_SWAPPED，而对应的页表位向量也被标记为使用中。
    而将交换空间的数据切回到主存中，则很简单，由于知道对象存的位置以及占用页数。只需要调用vmLoadObject即可以完成。

注：本文内容翻译自redis源码包doc目录中的相关文档。

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Redis实现之虚拟存储系统（VM）实现(一)–Swap file数据结构

2011年7月3日 sigma 8 条评论 11,588 views

Redis的虚拟存储系统（VM subsystem）的目的是实现将Redis对象（Redis Objects）方便的在主存（Memory）和硬盘（Disk）之间交换。在Redis虚拟存储系统中，Redis仅仅会将和值（Values）关联的对象交换（swap）到硬盘上。

在Redis的顶层的Hash 表中，将一部分的Redis对象（键Key）映射到另一部分Redis对象（值Value）。从而实现可以只将value交换到硬盘，而key对象不交换到硬盘，这保证了Redis非常好的查找性能（一般查找都是通过Key实现）。Redis虚存系统设计目标就是保证有虚存的Redis系统和没有虚存的Redis系统性能相差不大。

当一个对象（包括Key 和 Value）被交换到硬盘，在Hash表中：

  • Key还在内存中，保存着一个代表着Kye的Redis对象。
  • Value被设成了NULL。

到这里，你也许会问，在哪里存储被交换出去的Value信息（这Value和某个Key关联着）。事实上，在Redis中，就在Key对象中。

下面是Redis对象robj的数据结构：

  /* The actual Redis Object */
typedef struct redisObject {
    void *ptr;
    unsigned char type;
    unsigned char encoding;
    unsigned char storage;  /* If this object is a key, where is the value?
                             * REDIS_VM_MEMORY, REDIS_VM_SWAPPED, ... */
    unsigned char vtype; /* If this object is a key, and value is swapped out,
                          * this is the type of the swapped out object. */
    int refcount;
    /* VM fields, this are only allocated if VM is active, otherwise the
     * object allocation function will just allocate
     * sizeof(redisObjct) minus sizeof(redisObjectVM), so using
     * Redis without VM active will not have any overhead. */
    struct redisObjectVM vm;
} robj;

正如你所看到的，这个数据结构中有一些域是和虚拟存储相关的。最重要的域是storage,其取值可能有如下几个：

  • REDIS_VM_MEMORY: 对应的Value就在内存中
  • REDIS_VM_SWAPPED: 对应的Value已被交换, 并且hash表中入口刚被设成了NULL.
  • REDIS_VM_LOADING: 对应的Value已被交换, hash表中入口是NULL, 并且对象正从硬盘Load到主存中(这个值仅仅在线程VM/ThreadedVM激活时有效，具体什么事threaded VM，详见我的下一篇博文).
  • REDIS_VM_SWAPPING: 对应的Value在主存中, hash表中入口是一个指向redis对象的指针, 但是系统存在一个把这些Value交换到硬盘的IO任务.

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