【Redis破障之路】三：Redis单线程架构

雨点打透心脏的1/2处 2023-01-17 03:17 116阅读 0赞

众所周知，Redis是一个单线程架构的NoSQL数据库，但是是单线程模型的Redis为什么性能如此之高?这就是我们接下来要探究学习的内容。

# 1、Redis的单线程架构 #

## 1.1、Redis单线程简介 ##

首先要明白，`Redis的单线程指的是执行命令时的单线程`。

Redis客户端与服务端的模型可以简化成下图，每次客户端调用都经历了发送命令、执行命令、返回结果三个过程。

![Redis客户端请求与服务端响应][Redis]

我们说的单线程就是在第二步`执行命令`，一条命令从从客户端达到服务端不会立刻被执行，而是会进入一个队列中等待，每次只会有一条指令被选中执行。

![Redis单线程执行命令][Redis 1]

发送命令、返回结果、命令排队这些就不是那么简单了，例如Redis使用了I/O多路复用技术来解决I/O的问题。

## 1.2、Redis为什么要使用单线程 ##

这是官方的解释：https://redis.io/topics/faq

![Redis单线程][Redis 2]

官方FAQ表示，因为Redis是基于内存的操作，CPU成为Redis的瓶颈的情况很少见，Redis的瓶颈最有可能是内存的大小或者网络限制。

如果想要最大程度利用CPU，可以在一台机器上启动多个Redis实例。

值得一提的，网络上存在这样的观点：吐槽官方的解释有些敷衍，其实就是历史原因，开发者嫌多线程麻烦，后来这个CPU的利用问题就被抛给了使用者。

同时FAQ里还提到了， Redis 4.0 之后开始变成多线程，除了主线程外，它也有后台线程在处理一些较为缓慢的操作，例如清理脏数据、无用连接的释放、大 Key 的删除等等。

## 1.3、为什么单线程还能这么快 ##

通常来讲，单线程处理能力要比多线程差，那么为什么Redis使用单线程模型会达到每秒万级别的处理能力呢？可以将其归结为三点：

*  **第一：**纯内存访问，Redis将所有数据放在内存中，内存的响应时长大约为100纳秒，这是Redis达到每秒万级别访问的最重要的基础。
 *  **第二：**非阻塞I/O，Redis使用epoll作为I/O多路复用技术的实现，再加上Redis自身的事件处理模型将epoll中的连接、读写、关闭都转换为事件，不在网络I/O上浪费过多的时间

![Redis使用IO多路复用和自身事件模型][Redis_IO]

**这里再扩展一下I/O多路复用：**

引用知乎上一个高赞的回答来解释什么是I/O多路复用。假设你是一个老师，让30个学生解答一道题目，然后检查学生做的是否正确，你有下面几个选择：

1.  第一种选择：按顺序逐个检查，先检查A，然后是B，之后是C、D。。。这中间如果有一个学生卡主，全班都会被耽误。这种模式就好比，你用循环挨个处理socket，根本不具有并发能力。
2.  第二种选择：你创建30个分身，每个分身检查一个学生的答案是否正确。 这种类似于为每一个用户创建一个进程或者线程处理连接。
3.  第三种选择，你站在讲台上等，谁解答完谁举手。这时C、D举手，表示他们解答问题完毕，你下去依次检查C、D的答案，然后继续回到讲台上等。此时E、A又举手，然后去处理E和A。

第一种就是阻塞IO模型，第三种就是I/O复用模型，Linux下的select、poll和epoll就是干这个的。将用户socket对应的fd注册进epoll，然后epoll帮你监听哪些socket上有消息到达，这样就避免了大量的无用操作。此时的socket应该采用`非阻塞模式`。

这样，整个过程只在调用select、poll、epoll这些调用的时候才会阻塞，收发客户消息是不会阻塞的，整个进程或者线程就被充分利用起来，这就是`事件驱动`，所谓的reactor模式。

![多路复用模型][125d06416305cd00163c4d7ab2d402f9.png]

*  **第三：**单线程避免了线程切换和竞态产生的消耗。

我们继续来看Redis单线程却很快的最后一条原因，在多线程开发中，存在线程的切换和竞争，这样一来，是有时间的消耗的。对于需要磁盘I/O的程序来讲，磁盘I/O是一个比较耗时的操作，所以对于需要进行磁盘I/O的程序，我们可以使用多线程，在某个线程进行I/O时，CPU切换到当前程序的其他线程执行，以此减少CPU的等待时间。

那么问题来了。Redis的数据存放在内存中，将内存中的数据读入CPU时，CPU不是依然需要等待吗，为什么不能在等待数据从内存读入CPU期间执行其他线程，以此提高CPU的使用率呢？这个问题的答案很简单，内存的读些速度虽然比CPU慢很多，但是也是非常快的。CPU切换线程需要花费一定的时间，而多次切换线程所花费的时间，可能比直接使用单线程执行相同的任务，花费的时间要更多，这是非常不划算的。

`单线程也会有一个问题`：对于每个命令的执行时间是有要求的。如果某个命令执行过长，会造成其他命令的阻塞，对于Redis这种高性能的服务来说是致命的，所以Redis是面向快速执行场景的数据库。

# 2、支持多线程的Redis6.0 #

`“Redis不是单线程吗？怎么又支持多线程了？”`

相信学到了这里，这已经不是一个问题了。

Redis6.0引入了多线程的特性，这个多线程是在哪里呢？——**是对处理网络请求过程采用了多线程**。

Redis 6.0采用多个IO线程来处理网络请求，网络请求的解析可以由其他线程完成，然后把解析后的请求交由主线程进行实际的内存读写。提升网络请求处理的并行度，进而提升整体性能。

![img][]

那么多并发的线程安全问题存在吗？——当然不存在。

**Redis 的多 IO 线程只是用来处理网络请求的，对于命令的执行，Redis 仍然使用单线程来处理。**

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**参考：**

【1】：《Redis开发与运维》

【2】：[支持多线程的Redis6.0来了][Redis6.0]

【3】：[为什么 Redis 选择单线程模型][Redis 3]

【4】：[Redis 和 I/O 多路复用][Redis _ I_O]

【5】：[I/O多路复用技术（multiplexing）是什么？][I_O_multiplexing]

【6】：[一文搞懂I/O多路复用及其技术][I_O]

【7】:[Redis为什么是单线程的][Redis 4]

[Redis]: /images/20221022/4e7d9cb44c674e32a7df459be1b2d346.png
[Redis 1]: /images/20221022/6ddd2c57f2c64f34932cde190e7fa72f.png
[Redis 2]: /images/20221022/8eeecf8419af4f2485ae5122b165e5a8.png
[Redis_IO]: /images/20221022/9044fb369ab3497e9ee922f135da82bb.png
[125d06416305cd00163c4d7ab2d402f9.png]: /images/20221022/c862dd53da60465990b23b4ab802ac45.png
[img]: /images/20221022/dfab72b6da514c89b2c1323994fb9912.png
[Redis6.0]: https://www.cnblogs.com/mr-wuxiansheng/p/12884356.html
[Redis 3]: https://draveness.me/whys-the-design-redis-single-thread/
[Redis _ I_O]: https://draveness.me/redis-io-multiplexing/
[I_O_multiplexing]: https://www.zhihu.com/question/28594409
[I_O]: https://www.cnblogs.com/yrxing/p/14143644.html
[Redis 4]: https://www.debugger.wiki/article/html/1588496434080602