安全研究Redis线程安全性易安全亦易不安全（redis线程安全不）

安全研究Redis线程安全性：易安全亦易不安全

Redis是一款常用的开源内存数据库，被广泛用于构建高性能、高可用和可扩展的应用程序。Redis是以C语言编写的，支持多种数据结构，包括字符串、哈希表、列表、集合、有序集合等，因其高性能、高并发等优点，受到了开发人员的好评。本文主要研究Redis的线程安全性问题。

Redis的线程模型

Redis使用单线程模型，是指Redis的主线程（称为“event loop”）在系统层面上只使用一个线程进行网络IO，但是该线程可以处理多个客户端请求。Redis使用异步IO多路复用的机制，即通过对多个文件描述符进行轮询（其实是 epoll 或 select 操作），以便接收和处理多个客户端请求。

Redis内部维护了一个客户端队列（client list），用于存储与Redis服务器有通信的客户端连接。当一个客户端连接到Redis服务器时，会创建一个新的客户端数据结构（client data structure），并将该数据结构插入到客户端队列中。

下面是代码片段，展示了Redis的事件驱动机制。在这个例子中，Redis使用了epoll机制来处理客户端连接请求。当一个客户端连接建立后，将会创建一个新的client结构，然后把此client结构添加到clients链表中

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 状态，非阻塞或者阻塞
    int flags;
    // client唯一标识符
    uint64_t id;
    // 客户端类型
    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;
    }
    // 创建新的client结构
    createClient(cfd, clientType, ip);
}

Redis的线程安全性问题

Redis主线程是一个单线程，采用异步IO多路复用机制，但并没有采用多线程来实现。这种单线程模型有以下几个优点：

1. 简单、高效：Redis采用异步IO多路复用机制，每个连接的客户端都会被异步处理，降低了IO同步操作带来的效率损失。

2. 原子性：单线程执行避免了竞态条件（race conditions）的出现，Redis的命令队列保证了命令执行的原子性。

然而，Redis单线程模型也带来了一些线程安全性问题：

1. 状态共享：因为Redis是单线程模型，不同的客户端请求会被串行化并执行，但是Redis的全局变量和数据结构依然会在不同的请求之间共享，因此在改变全局状态时需要进行加锁，否则可能会导致数据不一致的问题。

2. 原子性问题：单线程执行的原子性通常是指“命令执行的原子性”，而不涉及到全局状态的原子性。如果多个命令之间存在数据共享，那么就需要加锁来保证原子性了。

在上述代码片段中，Redis维护一个客户端队列，但是当多个客户端同时连接时，会有多个线程在访问这个客户端队列，可能会导致线程安全问题。例如，当一个客户端连接到Redis服务器时，该客户端对应的信息将被插入到clients链表中。如果存在多个客户端同时连接，并且插入操作没有进行加锁，则会导致竞态条件的出现，从而导致数据不一致的问题。

为了解决线程安全问题，应该在对客户端队列进行访问时加锁，或者采用其他线程安全机制。例如，可以使用互斥量或者读写锁来保护共享数据结构，以保证线程安全。在Redis的实现中，可以使用pthread_mutex_lock()和pthread_mutex_unlock()来实现线程同步。下面是更新clients链表的示例代码。

/* Lock the client list before manipulation. */
pthread_mutex_lock(&server.clients_mutex);
listAddNodeTl(server.clients, client);
pthread_mutex_unlock(&server.clients_mutex);

结论

Redis的单线程模型确实带来了高效和简单的优点，但也给线程安全带来了一定的问题，需要开发人员谨慎使用。在实现线程安全时，可以使用pthread_mutex_lock()或者其他同步机制来保护共享数据结构，以提高程序的健壮性和安全性。