Redis编译进内核让系统效率更上一层楼（redis 编译到内核）

Redis编译进内核：让系统效率更上一层楼

Redis是一款非常优秀的内存缓存数据库软件，它采用键值对存储数据，支持多种数据结构、分布式、事务等功能，被广泛应用于Web应用、游戏、移动应用等领域。由于Redis的高性能、可扩展性和稳定性，越来越多的企业开始采用Redis作为缓存方案，但是Redis在高并发场景下还是存在一定的性能压力，因此让Redis编译进内核是一种提高系统性能的好方法。

编译Redis进内核的核心思想是将Redis的常用代码或数据结构保存在内核中，这样可以减少系统调用次数，提高Redis的执行效率。具体做法是通过特定的内核驱动程序，将Redis的代码或数据结构加载到内核中，让Redis运行时直接访问内核中的代码或数据结构，这样就可以减少系统调用的开销，提高Redis的响应速度。

下面是一个简单的演示示例，我们将Redis的zset(key有序集合)数据结构编译进内核。首先需要修改Redis源码中的zset数据结构定义，将其定义为一个内核数据结构。具体的代码如下：

#include 
struct zset_node {
  struct list_head list;   // zset节点用于连接不同的zset元素
  int score;               // 分数
  char* value;             // 元素值
};

struct kernel_zset {
  struct list_head head;   // zset的表头，用于连接各个节点
  int length;              // zset的长度
};

这里我们将zset定义为一个链表结构，每个节点包括分数和元素值两个字段。在Redis启动时，将zset数据结构以内核模块的形式编译并加载到内核中。具体的代码如下：

#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);

这里我们利用Linux内核提供的kmalloc函数动态分配了一个内存区域，用于存储zset数据结构。同时，通过INIT_LIST_HEAD函数初始化表头，将zset的长度设置为0。在这个模块被加载时，zset_init函数会被调用，将表头和长度等信息初始化，可以理解为是Redis启动时加载内核驱动程序。在模块被卸载时，zset_exit函数会被调用，用于释放内存，可以理解为是Redis关闭时卸载内核驱动程序。

在Redis启动时，我们需要将zset数据结构加载到内核中，使之成为内核模块之一。这里我们依然借鉴Linux内核的模块机制，创建一个新的模块，将zset的初始化和卸载函数添加到模块中。具体的代码如下：

#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，我们在用户态程序中使用ioctl函数调用内核驱动程序，将zset数据结构加载到内核中。具体的操作是将ZSET_LOAD命令传递给内核，让内核执行相应操作。在内核中，我们需要为ZSET_LOAD命令添加相应操作，具体的代码如下：

#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)
{