@[TOC](第10章 二进制数组、慢查询日志和监视器)


前言

参考资料:《Redis设计与实现 第二版》;

第三部分为独立功能的实现,主要由以下模块组成:发布订阅事务Lua 脚本排序二进制位数组慢查询日志监视器

本篇将介绍 Redis 的二进制位数组慢查询日志监视器。Redis 提供了一些命令操作二进制位数组;通过 SLOWLOG 相关命令可以对慢查询日志进行操作;通过 MONITOR 命令可以进入监视器模式;

与本章相关的 Redis 命令总结在下篇文章,欢迎点击收藏,本篇将不再重复:

《Redis常用命令及示例总结(API)》https://blog.51cto.com/dlhjw/4744855


1. 二进制位数组

1.1 位数组的表示

  • Redis 使用字符串对象来表示位数组,因为字符串对象使用的 SDS 是二进制安全的;
  • 使用逆序保存位数组,下图实际为:1111 0000 1100 0011 1010 0101;
    • 使用逆序保存位数组,可以直接在新扩展的二进制位中完成,不必改动位数组原来已有的二进制位;

三字节长的 SDS 位数组

1.2 GETBIT 命令的实现

  • GETBIT key offset 命令;
  • 1)计算 byte=offset / 8;byte 值表示位数组的哪个字节;
  • 2)计算 bit=(offset mod 8)+1;bit 值表示在 byte 下标字节的第几个二进制位;
  • 3)根据 byte 和 bit 的值定位 offfset 偏移量指定的二进制位;
  • 4)向客户端返回二进制位的值;

GETBIT 命令示例

1.3 SETBIT 命令的实现

  • SETBIT key offset value 命令;
  • 1)计算 len=offset/8+1;len 值表示 offset 指定的二进制位至少需要多少字节;
  • 2)根据 len 值进行扩展新空间,如果原位数组长度够则不扩展;
  • 3)计算 byte=offset/8;byte 值表示位数组的哪个字节;
  • 4)计算 bit=(offset mod 8)+1;bit 值表示在 byte 下标字节的第几个二进制位;
  • 5)根据 byte 和 bit 的值定位 offfset 偏移量指定的二进制位 oldvalue,并修改;
  • 6)向客户端返回二进制位 oldvalue 的值;
  • 无扩展操作的 SETBIT 命令示例如下:
    SETBIT 命令示例 - 非扩展操作

  • 带扩展操作的 SETBIT 命令示例如下:
    SETBIT 命令示例 - 扩展操作

    1.4 BITECOUNT 命令的实现

  • 遍历算法
    • 遍历位数组中的每个二进制位,遇到 1 时将计数器值赠 1;
    • 实现简单,效率低;
  • 查表法

    • 对于长度有限的位数组而言,能表示的二进制位有限,而每种排列顺序的 1 的个数是确定的;
    • 查表法是典型的空间换时间策略,节约时间越多,花费内存越大
    • 受 CPU 缓存限制:创建表越大,能加载进缓存的内容越少,缓存不命中的情况越高,缓存的换入换出操作就越频繁,最终影响实际效率;
      查表法的表
  • variable-precision SWAR 算法

    • 又称:计算汉明重量法;
    • 一个处理 32 位长度位数的算法示例:
    uint32_t swar(unit32_t i){
        //步骤1:按每2个二进制位为一组分组,各组的十进制为汉明重量
        i = (i & 0x55555555) + ((i >> 1) & 0x55555555);
        //步骤2:按每4个二进制位为一组分组,各组的十进制为汉明重量
        i = (i & 0x33333333) + ((i >> 2) & 0x33333333);
        //步骤3:按每8个二进制位为一组分组,各组的十进制为汉明重量
        i = (i & 0x0F0F0F0F) + ((i >> 4) & 0x0F0F0F0F);
        //步骤4
        i = (i*(0x01010101) >> 24);
        return i;
    }
    • 一个示例如下:

在这里插入图片描述
汉明重量示例

  • Redis 的实现
    • BITCOUNT 命令使用查表法variable-precision SWAR 法两种;
    • 查表法:使用键长为 8 位的表,记录 0000 0000 到 1111 1111 在内的二进制位的汉明重量;
    • variable-precision SWAR 法:每次循环中载入 128 个二进制位,调用 4 次 32 位的variable-precision SWAR 法计算 128 位二进制位的汉明重量;
    • 程序根据未处理的二进制位的数量决定使用哪种算法:
    • 未处理二进制位大于等于 128 位:variable-precision SWAR 法
    • 未处理二进制位小于 128 位:查表法
  • 算法的时间复杂度为:O(n),n 为输入二进制位的数量;

1.5 BITOP 命令的实现

  • BITOP 命令的所有操作都是使用 C 语言内置的位操作来实现的;

    BITOP 命令 C语言操作 说明
    BITOP AND & 逻辑与
    BITOP OR | 逻辑或
    BITOP XOR ^ 逻辑异或
    BITOP NOT ~ 逻辑非

2. 慢查询日志

  • Redis 的慢查询日志功能用于记录执行时间超过给定时长的命令请求,用户可以通过这个功能产生的例子来监视和优化查询速度;

  • 服务器配置有两个和慢查询日志相关的选项:
    • slowlog-log-slower-than 选项:指定执行时间超过多少毫秒的命令请求会被记录到日志上;
    • slowlog-max-len 选项:指定服务器最多保存多少条慢查询日志。采用先进先出的方式;
  • 使用 SLOWLOG 相关命令可以操作慢查询日志;

2.1 慢查询记录的保存

  • 服务器状态中包含与慢查询日志功能相关的属性:

    struct redisServer{
      //...
      // 下一条慢查询日志的 ID
      long long slowlog_entry_id;
      // 保存了所有慢查询日志的链表
      list *slowlog;
      // 服务器配置 slow_log_slower_than 选项的值
      long long slow_log_slower_than;
      // 服务器配置 slowlog_max_len 选项的值
      unsigned long slowlog_max_len;
    };

    慢查询逻辑图

  • slowlog 链表结构如下:

    typedef struct slowlogEntry{
      // 唯一标识符
      long long id;
      // 命令执行时的时间,格式为 UNIX 时间戳
      time_t time;
      // 执行命令消耗的时间,以微秒为单位
      long long duration;
      // 命令与命令参数
      robj **argv;
      // 命令与命令参数的数量
      int argc;
    } slowlogEntry;

慢查询链表示例

2.2 慢查询日志的阅览与删除

  • SLOWLOG GET [number];打印所有 slow log ,最大长度取决于 slowlog-max-len 选项的值;
  • SLOWLOG LEN;查看当前日志的数量。其值为 slowlog 链表的长度;
  • SLOWLOG RESET;清除所有慢查询日志;

2.3 添加新日志

  • 每次执行命令的之前和之后,程序会记录微秒格式的当前 UNIX 时间戳,两个时间戳之间的差值就是服务器执行命令所消耗的时长;
  • 新的慢查询日志会被添加到 slowlog 链表的表头,如果日志的数量超过 slowlog-max-len 选项的值,那么多出来的日志会被删除;

3. 监视器

  • 执行 MONITOR 命令,客户端可以将自己变为一个监视器,实时打印服务器当前处理的命令请求相关信息;
  • 当一个客户端从普通客户端变为监视器时,该客户端的 REDIS_MONITOR 标识会被打开,该客户端会被添加到 monitors 链表的表尾;
  • 所有监视器都记录在 monitors 链表里;
  • 每次处理命令请求时,服务器会遍历 monitors 链表,将相关信息发送给监视器;

监视器


最后

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