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安全研究Redis線程安全性：易安全亦易不安全
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Redis是一款常用的開源內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，被廣泛用于構(gòu)建高性能、高可用和可擴展的應用程序。Redis是以C語言編寫的，支持多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括字符串、哈希表、列表、集合、有序集合等，因其高性能、高并發(fā)等優(yōu)點，受到了開發(fā)人員的好評。本文主要研究Redis的線程安全性問題。
Redis的線程模型
Redis使用單線程模型，是指Redis的主線程（稱為“event loop”）在系統(tǒng)層面上只使用一個線程進行網(wǎng)絡(luò)IO，但是該線程可以處理多個客戶端請求。Redis使用異步IO多路復用的機制，即通過對多個文件描述符進行輪詢（其實是 epoll 或 select 操作），以便接收和處理多個客戶端請求。
Redis內(nèi)部維護了一個客戶端隊列（client list），用于存儲與Redis服務(wù)器有通信的客戶端連接。當一個客戶端連接到Redis服務(wù)器時，會創(chuàng)建一個新的客戶端數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（client data structure），并將該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)插入到客戶端隊列中。
下面是代碼片段，展示了Redis的事件驅(qū)動機制。在這個例子中，Redis使用了epoll機制來處理客戶端連接請求。當一個客戶端連接建立后，將會創(chuàng)建一個新的client結(jié)構(gòu)，然后把此client結(jié)構(gòu)添加到clients鏈表中
struct redisServer {
/* A list of all the clients connected to the server. This list is
* only populated when clients can be served to the server via the
* accept() syscall. */
list* clients;
/* eventLoop is an event-driven IO system combined with timers.
* You can register specific file descriptors for read or write
* events and a callback function that will be called from the event
* loop when the event will fire.
*
* This is a basic implementation of an event driven IO core without
* the complexities of advanced IO systems like libevent or libev.
* However it should be very fast for many-a-use cases.
*/
/* Mn loop. */
aeEventLoop* el;
};
struct client {
// client socket fd
int fd;
// socket 狀態(tài)，非阻塞或者阻塞
int flags;
// client唯一標識符
uint64_t id;
// 客戶端類型
int clientType;
};
static void acceptTcpHandler(aeEventLoop* el, int fd, void* privdata, int mask) {
UNUSED(mask);
UNUSED(privdata);
int cfd, clientType;
char ip[NET_IP_STR_LEN];
listNode* ln;
networkingAccept(fd, ip, sizeof(ip), &cfd, &clientType);
if (cfd == -1) {
return;
}
// 創(chuàng)建新的client結(jié)構(gòu)
createClient(cfd, clientType, ip);
}
Redis的線程安全性問題
Redis主線程是一個單線程，采用異步IO多路復用機制，但并沒有采用多線程來實現(xiàn)。這種單線程模型有以下幾個優(yōu)點：
1. 簡單、高效：Redis采用異步IO多路復用機制，每個連接的客戶端都會被異步處理，降低了IO同步操作帶來的效率損失。
2. 原子性：單線程執(zhí)行避免了競態(tài)條件（race conditions）的出現(xiàn)，Redis的命令隊列保證了命令執(zhí)行的原子性。
然而，Redis單線程模型也帶來了一些線程安全性問題：
1. 狀態(tài)共享：因為Redis是單線程模型，不同的客戶端請求會被串行化并執(zhí)行，但是Redis的全局變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)依然會在不同的請求之間共享，因此在改變?nèi)譅顟B(tài)時需要進行加鎖，否則可能會導致數(shù)據(jù)不一致的問題。
2. 原子性問題：單線程執(zhí)行的原子性通常是指“命令執(zhí)行的原子性”，而不涉及到全局狀態(tài)的原子性。如果多個命令之間存在數(shù)據(jù)共享，那么就需要加鎖來保證原子性了。
在上述代碼片段中，Redis維護一個客戶端隊列，但是當多個客戶端同時連接時，會有多個線程在訪問這個客戶端隊列，可能會導致線程安全問題。例如，當一個客戶端連接到Redis服務(wù)器時，該客戶端對應的信息將被插入到clients鏈表中。如果存在多個客戶端同時連接，并且插入操作沒有進行加鎖，則會導致競態(tài)條件的出現(xiàn)，從而導致數(shù)據(jù)不一致的問題。
為了解決線程安全問題，應該在對客戶端隊列進行訪問時加鎖，或者采用其他線程安全機制。例如，可以使用互斥量或者讀寫鎖來保護共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以保證線程安全。在Redis的實現(xiàn)中，可以使用pthread_mutex_lock()和pthread_mutex_unlock()來實現(xiàn)線程同步。下面是更新clients鏈表的示例代碼。
/* Lock the client list before manipulation. */
pthread_mutex_lock(&server.clients_mutex);
listAddNodeTl(server.clients, client);
pthread_mutex_unlock(&server.clients_mutex);
結(jié)論
Redis的單線程模型確實帶來了高效和簡單的優(yōu)點，但也給線程安全帶來了一定的問題，需要開發(fā)人員謹慎使用。在實現(xiàn)線程安全時，可以使用pthread_mutex_lock()或者其他同步機制來保護共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以提高程序的健壯性和安全性。
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文章名稱：安全研究Redis線程安全性易安全亦易不安全（redis線程安全不）
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