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Redis編譯進(jìn)內(nèi)核讓系統(tǒng)效率更上一層樓（redis 編譯到內(nèi)核）

Redis編譯進(jìn)內(nèi)核：讓系統(tǒng)效率更上一層樓

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Redis是一款非常優(yōu)秀的內(nèi)存緩存數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，它采用鍵值對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，支持多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、分布式、事務(wù)等功能，被廣泛應(yīng)用于Web應(yīng)用、游戲、移動(dòng)應(yīng)用等領(lǐng)域。由于Redis的高性能、可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始采用Redis作為緩存方案，但是Redis在高并發(fā)場(chǎng)景下還是存在一定的性能壓力，因此讓Redis編譯進(jìn)內(nèi)核是一種提高系統(tǒng)性能的好方法。

編譯Redis進(jìn)內(nèi)核的核心思想是將Redis的常用代碼或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存在內(nèi)核中，這樣可以減少系統(tǒng)調(diào)用次數(shù)，提高Redis的執(zhí)行效率。具體做法是通過(guò)特定的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序，將Redis的代碼或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)加載到內(nèi)核中，讓Redis運(yùn)行時(shí)直接訪問(wèn)內(nèi)核中的代碼或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這樣就可以減少系統(tǒng)調(diào)用的開(kāi)銷，提高Redis的響應(yīng)速度。

下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的演示示例，我們將Redis的zset(key有序集合)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編譯進(jìn)內(nèi)核。首先需要修改Redis源碼中的zset數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，將其定義為一個(gè)內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。具體的代碼如下：

#include 
struct zset_node {
  struct list_head list;   // zset節(jié)點(diǎn)用于連接不同的zset元素
  int score;               // 分?jǐn)?shù)
  char* value;             // 元素值
};

struct kernel_zset {
  struct list_head head;   // zset的表頭，用于連接各個(gè)節(jié)點(diǎn)
  int length;              // zset的長(zhǎng)度
};

這里我們將zset定義為一個(gè)鏈表結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括分?jǐn)?shù)和元素值兩個(gè)字段。在Redis啟動(dòng)時(shí)，將zset數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以內(nèi)核模塊的形式編譯并加載到內(nèi)核中。具體的代碼如下：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include "zset.h"

struct kernel_zset *kernel_zset;

static int __init zset_init(void)
{
  kernel_zset = (struct kernel_zset*)kmalloc(sizeof(struct kernel_zset), GFP_KERNEL);
  INIT_LIST_HEAD(&kernel_zset->head);
  kernel_zset->length = 0;
  return 0;
}

static void __exit zset_exit(void)
{
  kfree(kernel_zset);
}
module_init(zset_init);
module_exit(zset_exit);

這里我們利用Linux內(nèi)核提供的kmalloc函數(shù)動(dòng)態(tài)分配了一個(gè)內(nèi)存區(qū)域，用于存儲(chǔ)zset數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，通過(guò)INIT_LIST_HEAD函數(shù)初始化表頭，將zset的長(zhǎng)度設(shè)置為0。在這個(gè)模塊被加載時(shí)，zset_init函數(shù)會(huì)被調(diào)用，將表頭和長(zhǎng)度等信息初始化，可以理解為是Redis啟動(dòng)時(shí)加載內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序。在模塊被卸載時(shí)，zset_exit函數(shù)會(huì)被調(diào)用，用于釋放內(nèi)存，可以理解為是Redis關(guān)閉時(shí)卸載內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序。

在Redis啟動(dòng)時(shí)，我們需要將zset數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)加載到內(nèi)核中，使之成為內(nèi)核模塊之一。這里我們依然借鑒Linux內(nèi)核的模塊機(jī)制，創(chuàng)建一個(gè)新的模塊，將zset的初始化和卸載函數(shù)添加到模塊中。具體的代碼如下：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include "zset.h"

#define ZSET_MODULE "zset.ko"

int mn()
{
  int fd, ret;
  fd = open(ZSET_MODULE, O_RDWR);
  if (fd 
    perror("open");
    return -1;
  }
  ret = ioctl(fd, ZSET_LOAD, 0);
  if (ret 
    perror("ioctl");
    return -1;
  }
  close(fd);
  printf("zset module is loaded.\n");
  return 0;
}

可以看到，我們?cè)谟脩魬B(tài)程序中使用ioctl函數(shù)調(diào)用內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序，將zset數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)加載到內(nèi)核中。具體的操作是將ZSET_LOAD命令傳遞給內(nèi)核，讓內(nèi)核執(zhí)行相應(yīng)操作。在內(nèi)核中，我們需要為ZSET_LOAD命令添加相應(yīng)操作，具體的代碼如下：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include "zset.h"

#define ZSET_PROC_FILE "zset"

struct zset_node *zset_node_create(int score, char* value)
{
  struct zset_node* node;
  node = (struct zset_node*)kmalloc(sizeof(struct zset_node), GFP_KERNEL);
  node->score = score;
  node->value = kstrdup(value, GFP_KERNEL);
  INIT_LIST_HEAD(&node->list);
  return node;
}

void zset_node_destroy(struct zset_node* node)
{
  kfree(node->value);
  kfree(node);
}

struct kernel_zset* zset_create()
{
  struct kernel_zset* zset;
  zset = (struct kernel_zset*)kmalloc(sizeof(struct kernel_zset), GFP_KERNEL);
  INIT_LIST_HEAD(&zset->head);
  zset->length = 0;
  return zset;
}
void zset_destroy(struct kernel_zset* zset)
{
  struct zset_node *pos, *next;
  list_for_each_entry_safe(pos, next, &zset->head, list) {
    list_del(&pos->list);
    zset_node_destroy(pos);
  }
  kfree(zset);
}

static int zset_proc_read(char *page, char **start, off_t off,
                           int count, int *eof, void *data)
{
  int len = 0;
  struct zset_node *pos;
  struct kernel_zset* zset = (struct kernel_zset*)data;
  list_for_each_entry(pos, &zset->head, list) {
    len += sprintf(page+len, "%d %s\n", pos->score, pos->value);
  }
  return len;
}

static ssize_t zset_proc_write(struct file *file, const char __user *buffer,
                                size_t count, loff_t *data)
{
  char* buf;
  int score;
  char* value;
  struct zset_node *pos, *new_node = NULL;
  struct kernel_zset* zset = (struct kernel_zset*)file->private_data;
  buf = (char*)kmalloc(count+1, GFP_KERNEL);
  if (!buf)
    return -ENOMEM;

  if (copy_from_user(buf, buffer, count)) {
    kfree(buf);
    return -EFAULT;
  }
  buf[count] = '\0';
  sscanf(buf, "%d %s", &score, value);
  new_node = zset_node_create(score, value);
  list_for_each_entry(pos, &zset->head, list) {
    if (pos->score > score) {
      list_add_tl(&new_node->list, &pos->list);
      goto end;
    }
  }
  list_add_tl(&new_node->list, &zset->head);
end:
  zset->length++;
  kfree(buf);
  return count;
}

static const struct file_operations zset_proc_fops = {
  .read = zset_proc_read,
  .write = zset_proc_write,
};
static int zset_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd,
                        unsigned long arg)
{
  struct kernel_zset* zset;
  switch(cmd) {
    case ZSET_LOAD:
      zset = zset_create();
      proc_create_data(ZSET_PROC_FILE, S_IRUGO|S_IWUGO, NULL, &zset_proc_fops, zset);
      file->private_data = zset;
      break;
    case ZSET_UNLOAD:
      zset = (struct kernel_zset*)file->private_data;
      remove_proc_entry(ZSET_PROC_FILE, NULL);
      zset_destroy(zset);
      break;
    default:
      return -EINVAL;
  }
  return 0;
}
static struct file_operations zset_fops = {
  .unlocked_ioctl = zset_ioctl
};

static struct miscdevice zset_miscdev = {
  .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
  .name = "zset",
  .fops = &zset_fops
};

static int __init zset_init(void)
{

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