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高性能高可用Redis客戶端的設(shè)計與實現(xiàn)

2022年電子技術(shù)應(yīng)用第1期

劉世超1，2，楊斌1，2，劉衛(wèi)國1，2

1.山東大學(xué) 軟件學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.國家超級計算無錫中心，江蘇無錫214072

摘要： Redis是一個基于內(nèi)存存儲的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫，以高I/O(Input/Output)性能和高響應(yīng)速度著稱，在數(shù)據(jù)緩沖、消息隊列、Key-Value存儲等場景都發(fā)揮著重要的作用。在其支持的眾多客戶端中，C/C++客戶端Hiredis的應(yīng)用尤為廣泛。對Hiredis庫做了深入分析，發(fā)現(xiàn)了其管道功能存在高開銷、指令存儲不當(dāng)以及內(nèi)存混淆問題。基于此，在32邏輯核的X86架構(gòu)處理器以及64 GB內(nèi)存的Linux服務(wù)器上，設(shè)計并實現(xiàn)了一個面向C/C++的高性能高可用Redis客戶端，通過內(nèi)存預(yù)分配以及內(nèi)存隔離的方法提高了大量指令批處理時的性能并解決了復(fù)雜場景下的內(nèi)存混淆問題。經(jīng)測試，新客戶端提高了3～7倍的指令執(zhí)行效率，同時也保證了復(fù)雜場景下的內(nèi)存安全以及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞： Redis 管道 Hiredis 內(nèi)存混淆性能優(yōu)化

中圖分類號： TP391
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.212432
中文引用格式： 劉世超，楊斌，劉衛(wèi)國. 高性能高可用Redis客戶端的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2022，48(1)：46-52，58.
英文引用格式： Liu Shichao，Yang Bin，Liu Weiguo. Design and implementation of high-performance and high-availability redis client[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(1)：46-52，58.

Design and implementation of high-performance and high-availability redis client

Liu Shichao1，2，Yang Bin1，2，Liu Weiguo1，2

1.School of Software，Shandong University，Jinan 250101，China；2.National Supercomputing Center in Wuxi，Wuxi 214072，China

Abstract： Redis is an unstructured database based on memory storage. It is known for high I/O(Input/Output) performance and high response speed. It plays an important role in data buffering, message queues, key-value storage and other scenarios. Among the many clients it supports, the C/C++ client Hiredis is particularly widely used. This article did an in-depth analysis of the Hiredis library and found that its pipeline function has high overhead, improper instruction storage, and memory confusion problems. Based on this, this article designs and implements a C/C++-oriented high-performance and high-availability Redis client on a 32-core X86 architecture processor and a 64 GB memory Linux server. It improves the performance of processing a large number of instructions and solves the problem of memory confusion in complex scenarios through memory pre-allocation and memory isolation. After testing, the new client has improved instruction execution efficiency by 3～7 times, while also ensuring memory safety and accuracy in complex scenarios.

Key words : Redis；pipeline；Hiredis；memory confusion；performance optimization

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展以及大規(guī)模應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，目前已經(jīng)步入了大數(shù)據(jù)時代。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)逐漸替代了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)并迅速占據(jù)了主導(dǎo)地位，為了管理形式多樣的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，涌現(xiàn)了諸如MongoDB^[1]、InfluxDB^[2]、Elasticsearch^[3]等十分有代表性的數(shù)據(jù)庫。這些數(shù)據(jù)庫雖然針對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存取做了很多優(yōu)化，但是受限于硬盤(Hard Disk Drive，HDD)等底層存儲介質(zhì)，往往無法滿足高性能場景的需求。

為了提高性能，以Redis為代表的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫應(yīng)運(yùn)而生。Redis是一個非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫，支持使用非結(jié)構(gòu)化語言(Not-only Structured Query Language，NoSQL)查詢。同時，Redis通過I/O(Input/Output)多路復(fù)用和DRAM(Dynamic Random Access Memory)提供了高吞吐、高并發(fā)和低時延的服務(wù)，在數(shù)據(jù)緩沖、消息隊列、Key-Value存儲等場景都發(fā)揮了重要的作用。

但是隨著大規(guī)模計算集群的算力逐漸增大，應(yīng)用的數(shù)據(jù)規(guī)模也隨之變大，計算和I/O之間的“存儲墻”也變得愈發(fā)明顯。現(xiàn)有的Redis也遇到一些網(wǎng)絡(luò)和存儲方面的問題。因此如何改進(jìn)Redis也受到了廣泛的重視，隨之出現(xiàn)了很多Redis優(yōu)化的相關(guān)工作，它們從各種角度對Redis服務(wù)端或客戶端做了改進(jìn)。

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作者信息：

劉世超1，2，楊斌1，2，劉衛(wèi)國1，2

(1.山東大學(xué) 軟件學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.國家超級計算無錫中心，江蘇無錫214072)

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