使用.NET构建简单的高性能Redis（三）

译者注

该原文是Ayende Rahien大佬业余自己在使用C# 和 .NET构建一个简单、高性能兼容Redis协议的数据库的经历。首先这个”Redis”是非常简单的实现，但是他在优化这个简单”Redis”路程很有趣，也能给我们在从事性能优化工作时带来一些启示。原作者：Ayende Rahien 原链接：https://ayende.com/blog/197473-C/high-performance-net-building-a-redis-clone-architecture

构建Redis克隆版-架构

在之前的文章中，我们尝试用最简单的方式来完成一个Redis克隆版。打开一个套接字来监听，为每个客户端单独分配一个Task来从网络读取数据，解析命名并执行它。虽然在流水线上有一些小的改进，但也只仅此而已。

让我们退一步来构建一个与Redis架构更为接近的Redis克隆版。为此，我们需要在一个线程中完成所有工作。这在C#中是比较难实现的，没有用于执行Redis那样工作类型的API。更确切的来说是有Socket.Select()方法，但是需要我们自己在此基础上构建一切（比如我们必须写代码处理缓冲、字符串等等）。

考虑到这是通往最终建议的架构的一个中途站，我决定完全跳过这个。相反，我将首先专注于消除系统中的主要瓶颈，即ConcurrentDictionary。

分析器的结果表明，我们这最大的开销就是ConcurrentDictionary的可伸缩性。即使我使用了1024个分片的锁，它仍然占用50%的时间开销。问题是，我们能做得更好吗？我们可以尝试一个更好的选择，就是我们不再使用ConcurrentDictionary，而是直接使用单独的Dictionary来分片，这样的话每个Dictionary都不需要并发就可以访问。

我的想法是这样的，我们将为客户端提供常规的读写操作。但是，我们不会直接在I/O上处理这些命令，而是将其路由到一个专用的线程（使用它自己的Dictionary）来完成这项工作。因为我是16核的机器，我将创建10个这样的线程（假设它们每个都能分配到1个核心），并且我能够将I/O处理放到其余的6个核心上。

以下是更改后的结果：请注意，我们现在跑分的数据是125w/s，比上一次几乎增长了25%。下面是这一次新代码的分析器结果：因此在本例中，花费了大量的时间来处理各种各样的字符串，等待GC（大约占30%）。集合的成本下降了很多。还有一些其它的开销出现在我眼前，看看这里：对于“简单”属性查找来说，这个开销非常惊人。另外SubString函数的调用开销也很大，超过整个系统开销的6%。在研究系统其它部分时，看到了这个：这真的很有趣，因为我们花了很多的时间在等待队列中是否有新的元素，其实我们可以做更多的事情，而不是就在那干等着。

我还尝试了其它的线程数量，如果只运行一个ExecWorker，我们的运行速度是40w/s，两个线程，我们的运行速度是70w/s。当使用4个专用于处理请求的线程时，我们的运行速度是106w/s。

因此，很明显，我们需要重新考虑这种方案，我们不能够正确地扩展到合适的数值。注意，这种方法也不利用流水线。我们分别处理每个命令和其他命令。我的下一步是添加对使用这种方法的流水线的支持，并测量这种影响。

从另一方面来说，我们现在的性能还是100w/s，考虑到我只花了很少的时间来实现方案，从这个方案可以获得25w/s的性能提升，这是令人激动人心的。从侧面说，我们还有更多的事情可以做，但我想把重点放在修复我们第一个方案上。

下面是当前的状态，因此您可以与原始代码比较。


using System.Collections.Concurrent;
using System.Net.Sockets;
using System.Threading.Channels;

var listener = new TcpListener(System.Net.IPAddress.Any, 6379);
listener.Start();

var redisClone = new RedisClone();

while (true)
{
    var client = listener.AcceptTcpClient();
    var _ = redisClone.HandleConnection(client); // run async
}

public class RedisClone
{
    ShardedDictionary _state = new(Environment.ProceSSOrCount / 2);

    public async Task HandleConnection(TcpClient tcp)
    {
        var _ = tcp;
        var stream = tcp.GetStream();
        var client = new Client
        {
            Tcp = tcp,
            Dic = _state,
            Reader = new StreamReader(stream),
            Writer = new StreamWriter(stream)
            {
                NewLine = "rn"
            }
        };
        await client.ReadAsync();

    }

}

class Client
{
    public TcpClient Tcp;
    public StreamReader Reader;
    public StreamWriter Writer;
    public string Key;
    public string? Value;

    public ShardedDictionary Dic;

    List<string> Args = new();

    public async Task ReadAsync()
    {
        try
        {
            Args.Clear();
            var lineTask = Reader.ReadLineAsync();
            if (lineTask.IsCompleted == false)
            {
                await Writer.FlushAsync();
            }
            var line = await lineTask;
            if (line == null)
            {

                using (Tcp)
                {
                    return;
                }
            }
            if (line[0] != '*')
                throw new InvalidDataException("Cannot understand arg batch: " + line);

            var argsv = int.Parse(line.Substring(1));
            for (int i = 0; i < argsv; i++)
            {
                line = await Reader.ReadLineAsync();
                if (line == null || line[0] != '$')
                    throw new InvalidDataException("Cannot understand arg length: " + line);
                var argLen = int.Parse(line.Substring(1));
                line = await Reader.ReadLineAsync();
                if (line == null || line.Length != argLen)
                    throw new InvalidDataException("Wrong arg length expected " + argLen + " got: " + line);

                Args.Add(line);
            }

            switch (Args[0])
            {
                case "GET":
                    Key = Args[1];
                    Value = null;
                    break;
                case "SET":
                    Key = Args[1];
                    Value = Args[2];
                    break;
                default:
                    throw new ArgumentOutOfRangeException("Unknown command: " + Args[0]);
            }
            Dic.Run(this);
        }
        catch (Exception e)
        {
            await HandleError(e);
        }
    }

    public async Task NextAsync()
    {
        try
        {
            if (Value == null)
            {
                await Writer.WriteLineAsync("$-1");
            }
            else
            {
                await Writer.WriteLineAsync($"${Value.Length}rn{Value}");
            }
            await ReadAsync();
        }
        catch (Exception e)
        {
            await HandleError(e);
        }
    }

    public async Task HandleError(Exception e)
    {
        using (Tcp)
        {
            try
            {
                string? line;
                var errReader = new StringReader(e.ToString());
                while ((line = errReader.ReadLine()) != null)
                {
                    await Writer.WriteAsync("-");
                    await Writer.WriteLineAsync(line);
                }
                await Writer.FlushAsync();
            }
            catch (Exception)
            {
                // nothing we can do
            }
        }
    }
}

class ShardedDictionary
{
    Dictionary<string, string>[] _dics;
    BlockingCollection<Client>[] _workers;

    public ShardedDictionary(int shardingFactor)
    {
        _dics = new Dictionary<string, string>[shardingFactor];
        _workers = new BlockingCollection<Client>[shardingFactor];

        for (int i = 0; i < shardingFactor; i++)
        {
            var dic = new Dictionary<string, string>();
            var worker = new BlockingCollection<Client>();
            _dics[i] = dic;
            _workers[i] = worker;
            // readers
            new Thread(() =>
            {
                ExecWorker(dic, worker);
            })
            {
                IsBackground = true,
            }.Start();
        }
    }

    private static void ExecWorker(Dictionary<string, string> dic, BlockingCollection<Client> worker)
    {
        while (true)
        {
            var client = worker.Take();
            if (client.Value != null)
            {
                dic[client.Key] = client.Value;
                client.Value = null;
            }
            else
            {
                dic.TryGetValue(client.Key, out client.Value);
            }
            var _ = client.NextAsync();
        }
    }

    public void Run(Client c)
    {
        var reader = _workers[c.GetHashCode() % _workers.Length];
        reader.Add(c);
    }

}