Redis 源码整体架构
# 一、Redis 目录结构
在 Redis 的源码总目录下，一共包含了 deps (opens new window)、src (opens new window)、tests (opens new window)、utils (opens new window) 四个子目录，这四个子目录分别对应了 Redis 中发挥不同作用的代码，下面我们具体来看看。
# 1.1 deps 目录
这个目录主要 包含了 Redis 依赖的第三方代码库，包括 Redis 的 C 语言版本客户端代码 hiredis、内存分配器代码 jemalloc、readline 功能的替代代码 linenoise，以及 lua 脚本代码。
这部分代码的一个显著特点，就是 它们可以独立于 Redis src 目录下的功能源码进行编译，也就是说，它们可以独立于 Redis 存在和发展。下面这张图显示了 deps 目录下的子目录内容。
可以看到，该目录主要存放了三类代码：
- Redis 依赖的、实现更加高效的功能库，如内存分配；
- 独立于 Redis 开发演进的代码，如客户端；
- lua 脚本代码。
# 1.2 src 目录
这个目录里面 包含了 Redis 所有功能模块的代码文件，也是 Redis 源码的重要组成部分。同样，下面来看下 src 目录下的子目录结构。
我们会发现，src 目录下只有一个 modules 子目录，其中包含了一个实现 Redis module 的示例代码，剩余的源码文件都是在 src 目录下，没有再分下一级子目录。
# 1.3 tests 目录
Redis 实现的测试代码可以分成四部分，分别是 单元测试（对应 unit 子目录）、Redis Cluster 功能测试（对应 cluster 子目录）、哨兵功能测试（对应 sentinel 子目录）、主从复制功能测试（对应 integration 子目录）。这些子目录中的测试代码使用了 Tcl 语言（通用的脚本语言）进行编写，主要目的就是方便进行测试。
另外，每一部分的测试都是一个测试集合，覆盖了相应功能模块中的多项子功能测试。比如，在单元测试的目录中，我们可以看到有针对过期 key 的测试（expire.tcl）、惰性删除的测试（lazyfree.tcl）以及不同数据类型操作的测试（type 子目录）等。而在 Redis Cluster 功能测试的目录中，我们可以看到有针对故障切换的测试（failover.tcl）、副本迁移的测试（replica-migration.tcl）等。
不过在 tests 目录中，除了有针对特定功能模块的测试代码外，还有一些代码是 用来支撑测试功能 的，这些代码在 assets、helpers、modules、support 四个目录中。下图展示了 tests 目录下的代码结构和层次。
# 1.4 utils 目录
在 Redis 开发过程中，还有一些功能属于辅助性功能，包括用于创建 Redis Cluster 的脚本、用于测试 LRU 算法效果的程序，以及可视化 rehash 过程的程序。在 Redis 代码结构中，这些功能代码都被归类到了 utils 目录中统一管理。下图展示了 utils 目录下的主要子目录。
# 1.5 配置文件
除了 deps、src、tests、utils 四个子目录以外，Redis 源码总目录下其实还包含了两个重要的配置文件，一个是 Redis 实例的配置文件 redis.conf，另一个是 哨兵的配置文件 sentinel.conf。当你需要查找或修改 Redis 实例或哨兵的配置时，就可以直接定位到源码总目录下。
# 二、Redis 功能模块
# 2.1 服务器实例
首先我们知道，Redis 在运行时是一个网络服务器实例，因此相应地就需要有代码实现服务器实例的初始化和主体控制流程，而这是由 server.h/server.c 实现的，Redis 整个代码的 main 入口函数也是在 server.c 中。如果要了解 Redis 是如何开始运行的，那么就可以从 server.c 的 main 函数开始看起。
当然，对于一个网络服务器来说，它还需要提供网络通信功能。Redis 使用了基于事件驱动机制的网络通信框架，涉及的代码文件包括 ae.h/ae.c、ae_epoll.c、ae_evport.c、ae_kqueue.c、ae_select.c。
而除了事件驱动网络框架以外，与网络通信相关的功能还包括 底层 TCP 网络通信和客户端实现。
Redis 对 TCP 网络通信的 Socket 连接、设置等操作进行了封装，这些封装后的函数实现在 anet.h/anet.c 中。这些函数在 Redis Cluster 创建和主从复制的过程中，会被调用并用于建立 TCP 连接。
除此之外，客户端在 Redis 的运行过程中也会被广泛使用，比如实例返回读取的数据、主从复制时在主从库间传输数据、Redis Cluster 的切片实例通信等，都会用到客户端。Redis 将客户端的创建、消息回复等功能，实现在了 networking.c 文件中，如果你想了解客户端的设计与实现，可以重点看下这个代码文件。
下图总结了与服务器实例相关的功能模块及对应的代码文件。
# 2.2 数据类型与操作
Redis 数据库提供了丰富的键值对类型，其中包括了 String、List、Hash、Set 和 Sorted Set 这五种基本键值类型。此外，Redis 还支持位图、HyperLogLog、Geo 等扩展数据类型。
而为了支持这些数据类型，Redis 就使用了多种数据结构来作为这些类型的底层结构。比如，String 类型的底层数据结构是 SDS，而 Hash 类型的底层数据结构包括哈希表和压缩列表。
不过，Redis 实现的底层数据结构非常多，下表中包含了这些底层结构和它们对应的键值对类型，以及相应的代码文件，你可以用这张表来快速定位代码文件。
| 底层数据结构 | 对应数据类型 | 对应源码文件 |
|---|---|---|
| 简单动态字符串 SDS | String | sds.h / sds.c / sdsalloc.h |
| 双向链表 AdList | List | adlist.h / adlist.c |
| 压缩列表 ZipList | List、Hash、Sorted Set | ziplist.h / ziplist.c |
| 快速列表 QuickList | List、Hash、Sorted Set | quicklist.h / quicklist.c |
| 整数集合 IntSet | Set | intset.h / intset.c |
| 压缩字典 ZipMap | Hash | zipmap.h / zipmap.c |
| 哈希表 Dict | Hash | dict.h / dict.c |
| HyperLogLog | HyperLogLog | hyperloglog.c |
| GeoHash | Geo | geo.h / geo.c、geohash.h / geohash.c、 geohash_help.h / geohash_help.c |
| 位图 BitMap | 位图 | bitops.c |
| Stream | 时序数据 | stream.h / t_stream.c |
除了实现了诸多的数据类型以外，Redis 作为数据库，还实现了对键值对的新增、查询、修改和删除等操作接口，这部分功能是在 db.c 文件实现的。
# 2.3 内存优化
Redis 是从三个方面来优化内存使用的，分别是内存分配、内存回收，以及数据替换。
首先，在 内存分配 方面，Redis 支持使用不同的内存分配器，包括 glibc 库提供的默认分配器 tcmalloc、第三方库提供的 jemalloc。Redis 把对内存分配器的封装实现在了 zmalloc.h / zmalloc.c。
其次，在 内存回收 上，Redis 支持设置过期 key，并针对过期 key 可以使用不同删除策略，这部分代码实现在 expire.c 文件中。同时，为了避免大量 key 删除回收内存，会对系统性能产生影响，Redis 在 lazyfree.c 中实现了异步删除的功能，所以这样，我们就可以使用后台 IO 线程来完成删除，以避免对 Redis 主线程的影响。
最后，针对 数据替换，如果内存满了，Redis 还会按照一定规则清除不需要的数据，这也是 Redis 可以作为缓存使用的原因。Redis 实现的数据替换策略有很多种，包括 LRU、LFU 等经典算法。这部分的代码实现在了 evict.c 中。
下图展示了 Redis 内存优化相关的代码文件。
# 2.4 数据持久化
Redis 的数据持久化实现有两种方式：内存快照 RDB 和 AOF 日志，分别实现在了 rdb.h/rdb.c 和 aof.c 中。
注意，在使用 RDB 或 AOF 对数据库进行恢复时，RDB 和 AOF 文件可能会因为 Redis 实例所在服务器宕机，而未能完整保存，进而会影响到数据库恢复。因此针对这一问题，Redis 还实现了对这两类文件的检查功能，对应的代码文件分别是 redis-check-rdb.c 和 redis-check-aof.c。
# 2.5 主从复制
Redis 把主从复制功能实现在了 replication.c 文件中。另外，Redis 的主从集群在进行恢复时，主要是依赖于哨兵机制，而这部分功能则直接实现在了 sentinel.c 文件中。
其次，Redis Cluster 实现了 Redis 的高可扩展性，这部分代码也非常集中，就是在 cluster.h / cluster.c 代码文件中。
# 2.6 辅助功能
Redis 还实现了一些用于支持系统运维的辅助功能。比如，为了便于运维人员查看分析不同操作的延迟产生来源，Redis 在 latency.h / latency.c 中实现了操作延迟监控的功能；为了便于运维人员查找运行过慢的操作命令，Redis 在 slowlog.h / slowlog.c 中实现了慢命令的记录功能，等等。
此外，运维人员有时还需要了解 Redis 的性能表现，为了支持这一目标，Redis 实现了对系统进行性能评测的功能，这部分代码在 redis-benchmark.c 中。