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03Redis的高性能IO模型

前言
一、Redis 用单线程的原因
- 1.1 多线程的开销
二、 Redis 的单线程快的原因
- 2.1 Redis的多路复用机制
- - 2.1.1 基本 IO 模型与阻塞点
  - 2.1.2 非阻塞模式
  - 2.1.3 基于多路复用的高性能 I/O 模型
  - 2.1.4 select/epoll的事件的回调机制
总结

前言 Redis 是单线程是指 Redis 的网络 IO和键值对读写是由一个线程来完成的。但 Redis 的持久化、异步删除、集群数据同步等，其实是由额外的线程执行的。所以严格来说Redis 并不是单线程的。
一、Redis 用单线程的原因 【Redis|03Redis的高性能IO模型】Redis 为什么用单线程，就要先了解多线程的开销。
1.1 多线程的开销使用多线程，可以增加系统吞吐率、增加系统扩展性。在有合理的资源分配的情况下，可以增加系统中处理请求操作的资源实体，进而提升系统能够同时处理的请求数，即吞吐率。下面的左图是采用多线程时的理想结果。
但是通常情况下采用多线程后，如果没有良好的系统设计，实际得到的结果是右图。刚开始增加线程数时，系统吞吐率会增加，但是，再进一步增加线程时，系统吞吐率就增长迟缓了，有时甚至还会出现下降的情况。

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下降原因是：

系统中通常会存在被多线程同时访问的共享资源，比如一个共享的数据结构。当有多个线程要修改这个共享资源时，为了保证共享资源的正确性，就需要有额外的机制进行保证，而这个额外的机制，就会带来额外的开销。Redis 有 List 的数据类型，并提供出队（LPOP）和入队（LPUSH）操作。假设 Redis 采用多线程设计，如下图，现在有两个线程 A 和B，线程 A 对一个 List 做 LPUSH 操作，并对队列长度加 1。同时，线程 B 对该 List 执行LPOP 操作，并对队列长度减 1。为了保证队列长度的正确性，Redis 需要让线程 A 和 B的 LPUSH 和 LPOP 串行执行，Redis 可以无误地记录它们对 List 长度的修改。否则可能就会得到错误的长度结果。这就是多线程编程模式面临的共享资源的并发访问控制问题。

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如果没有精细的设计，比如说只是简单地采用一个粗粒度互斥锁，就会出现不理想的结果：即使增加了线程，大部分线程也在等待获取访问共享资源的互斥锁，并行变串行，系统吞吐率并没有随着线程的增加而增加。
多线程一般会引入同步原语来保护共享资源的并发访问，这也会降低系统代码的易调试性和可维护性。

为了避免这些问题，Redis 直接采用了单线程模式。
二、 Redis 的单线程快的原因通常来说，单线程的处理能力要比多线程差很多，但是 Redis 却能使用单线程模型达到每秒数十万级别的处理能力，这是因为Redis 多方面设计选择的一个综合结果。

Redis 的大部分操作在内存上完成，再加上它采用了高效的数据结构，例如哈希表和跳表；
Redis 采用了多路复用机制，使其在网络 IO 操作中能并发处理大量的客户端请求，实现高吞吐率。

2.1 Redis的多路复用机制 2.1.1 基本 IO 模型与阻塞点
网络操作的基本 IO 模型和潜在的阻塞点。以 Get 请求为例，需要监听客户端请求（bind/listen），和客户端建立连接（accept），从 socket 中读取请求（recv），解析客户端发送请求（parse），根据请求类型读取键值数据（get），最后给客户端返回结果，即向 socket 中写回数据（send）。
如下图，其中bind/listen、accept、recv、parse 和 send 属于网络 IO 处理，而 get 属于键值数据操作。既然 Redis 是单线程，那么最基本的一种实现是在一个线程中依次执行上面说的这些操作。

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这里的网络 IO 操作中，有潜在的阻塞点，分别是 accept() 和 recv()：

当 Redis 监听到一个客户端有连接请求，但一直未能成功建立起连接时，会阻塞在 accept() 函数这里，导致其他客户端无法和 Redis 建立连接。
当 Redis 通过 recv() 从一个客户端读取数据时，如果数据一直没有到达，Redis 也会一直阻塞在 recv()。

这就导致 Redis 整个线程阻塞，无法处理其他客户端请求，效率很低。不过 socket 网络模型本身支持非阻塞模式。
2.1.2 非阻塞模式
Socket 网络模型的非阻塞模式设置，主要体现在socket()、listen()、 accept() 三个关键的函数调用上。
在 socket 模型中，不同操作调用后会返回不同的套接字类型。socket() 方法会返回主动套接字，然后调用 listen() 方法，将主动套接字转化为监听套接字，此时，可以监听来自客户端的连接请求。最后，调用 accept() 方法接收到达的客户端连接，并返回已连接套接字。

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针对监听套接字，可以设置非阻塞模式：当 Redis 调用 accept() 但一直未有连接请求到达时，Redis 线程可以返回处理其他操作，而不用一直等待。但是，你要注意的是，调用 accept() 时，已经存在监听套接字了。
虽然 Redis 线程可以不用继续等待，但是总得有机制继续在监听套接字上等待后续连接请求，并在有请求时通知 Redis。
针对已连接套接字，也可以设置非阻塞模式：Redis 调用 recv() 后，如果已连接套接字上一直没有数据到达，Redis 线程同样可以返回处理其他操作。也需要有机制继续监听该已连接套接字，并在有数据达到时通知 Redis。
这样才能保证 Redis 线程，既不会像基本 IO 模型中一直在阻塞点等待，也不会导致 Redis 无法处理实际到达的连接请求或数据。
2.1.3 基于多路复用的高性能 I/O 模型
Linux 中的 IO 多路复用机制是指一个线程处理多个 IO 流，即 select/epoll 机制。
在 Redis 只运行单线程的情况下，多路复用机制允许内核中，同时存在多个监听套接字和已连接套接字。内核会一直监听这些套接字上的连接请求或数据请求。一旦有请求到达，就会交给 Redis 线程处理，这就实现了一个 Redis 线程处理多个 IO 流的效果。
图中的多个 FD（文件描述符）就是刚才所说的多个套接字。 Redis 网络框架调用 epoll 机制，让Linux内核监听这些套接字。此时Redis 线程不会阻塞在某一个特定的监听或已连接套接字上，不会阻塞在某一个特定的客户端请求处理上。所以Redis 可以同时和多个客户端连接并处理请求，从而提升并发性。

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2.1.4 select/epoll的事件的回调机制
select/epoll 提供了基于事件的回调机制，针对不同事件的发生，调用相应的处理函数。select/epoll 监测到 FD 上有请求到达时，就会触发相应的事件。
这些事件会被放进一个事件队列，Redis 单线程对该事件队列不断进行处理。好处：

Redis 无需一直轮询是否有请求实际发生，这就可以避免造成 CPU 资源浪费。
Redis 在对事件队列中的事件进行处理时，会调用相应的处理函数，这就实现了基于事件的回调。

因为 Redis 一直在对事件队列进行处理，所以能及时响应客户端请求，提升 Redis 的响应性能。
例如现在有两个请求，这两个请求分别对应 Accept 事件和 Read 事件，Redis 分别对这两个事件注册 accept 和 get 回调函数。当 Linux 内核监听到有连接请求或读数据请求时，就会触发 Accept 事件和 Read 事件，此时内核就会回调 Redis 相应的 accept 和 get 函数进行处理。
这就像病人去医院瞧病。在医生实际诊断前，每个病人（等同于请求）都需要先分诊、测体温、登记等。如果这些工作都由医生来完成，医生的工作效率就会很低。所以医院都设置了分诊台，分诊台会一直处理这些诊断前的工作（类似于 Linux 内核监听请求），然后再转交给医生做实际诊断。这样即使一个医生（相当于 Redis 单线程），效率也能提升。
事件的回调机制的实现有很多种：

基于 Linux 系统下的 select 和 epoll 实现；
基于 FreeBSD 的 kqueue 实现；
基于 Solaris 的 evport 实现；

可以根据 Redis 实际运行的操作系统，选择相应的多路复用实现。
总结 Redis 单线程是指网络 IO 和数据读写的操作采用了一个线程，而采用单线程的一个核心原因是避免多线程开发的并发控制问题。
单线程的 Redis 也能获得高性能，跟多路复用的 IO 模型密切相关，因为这避免了 accept() 和 send()/recv() 潜在的网络 IO 操作阻塞点。
Redis 6.0 中提出了多线程模型。