redis IO多路复用模型详解

news2025/3/11 6:28:25

一、IO

1.1、IO模型

我们常说的IO，指的是文件的输入和输出，但是在操作系统层面是如何定义IO的呢？到底什么样的过程可以叫做是一次IO呢？
拿一次磁盘文件读取为例，我们要读取的文件是存储在磁盘上的，我们的目的是把它读取到内存中。可以把这个步骤简化成把数据从硬件（硬盘）中读取到用户空间中。
举例：一次完整的钓鱼（IO）操作，是鱼（文件）从鱼塘（硬盘）中转移（拷贝）到鱼篓（用户空间）的过程。

以 Linux 为例，它有五种 IO 模型：
阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO复用模型、信号驱动IO模型以及异步IO模型

在Java中，主要有三种IO模型，分别是阻塞IO（BIO）、非阻塞IO（NIO）和异步IO（AIO）
比如在Linux 2.6以后，Java中NIO和AIO都是通过epoll来实现的，而在Windows上，AIO是通过IOCP来实现的。
可以把Java中的BIO、NIO和AIO理解为是Java语言对操作系统的各种IO模型的封装。程序员在使用这些API的时候，不需要关心操作系统层面的知识，也不需要根据不同操作系统编写不同的代码。只需要使用Java的API就可以了。
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1.2 阻塞IO模型（Blocking IO）

这是最基础的IO模型，当进行IO操作时，线程会被阻塞，直到操作完成。
首先，要从你常用的IO操作谈起，比如read和write，通常IO操作都是阻塞I/O的，也就是说当你调用read时，如果没有数据收到，那么线程或者进程就会被挂起，直到收到数据。无法处理并发。
阻塞 I/O 是最简单的 I/O 模型，一般表现为进程或线程等待某个条件，如果条件不满足，则一直等下去。条件满足，则进行下一步操作。
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1.3非阻塞IO模型（Non-blocking IO）

在这种模型中，线程可以在不阻塞的情况下对文件描述符进行读写操作。
当你调用read时，如果有数据收到，就返回数据，如果没有数据收到，就立刻返回一个错误，这样是不会阻塞线程了。此时用户进程需要不断轮询，如果轮询频繁，则浪费了大量的CPU资源；如果轮询频率低，则不能实时地获取数据。过度浪费CPU资源。
不断轮询
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1.3信号驱动IO模型（Signal-driven IO）

这种模型使用信号来通知应用程序某个文件描述符的状态已经改变。
应用进程在读取文件时通知内核，如果某个 socket 的某个事件发生时，请向我发一个信号。在收到信号后，信号对应的处理函数会进行后续处理。
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1.4异步IO模型（Asynchronous IO）

在这种模型中，应用程序发起IO操作后，可以继续执行其他任务，当IO操作完成时，会以某种方式通知应用程序。
当调用read时，不需要等到数据返回就可以继续去干别的事情，调用write的时候同理。但是频繁的切换线程会出现浪费过多CPU资源的问题。
应用进程把IO请求传给内核后，完全由内核去操作文件拷贝。内核完成相关操作后，会发信号告诉应用进程本次IO已经完成。
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1.5 IO多路复用

多个进程的IO可以注册到同一个管道上，这个管道会统一和内核进行交互。当管道中的某一个请求需要的数据准备好之后，进程再把对应的数据拷贝到用户空间中。
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二、Redis IO多路复用模型

在面试中通常会有这样子的场景
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面试官：看你的简历写到项目中有用到redis，可以聊聊redis吗
求职者：可以哇。我在项目中主要使用了redis做商品信息的缓存，我会先从缓存中拿商品信息，如果缓存失效了再去数据库拿商品信息，最后更新缓存，这样子做直接提高了程序的性能并减少了DB的压力。
求职者：redis很快，主要是因为完全基于内存，而且是单线程，使用了I/O多路复用模型。
面试官：那你了解I/O多路复用技术在redis中的应用吗
求职者：不是很了解。。。

这里"多路"指的是多个网络连接，"复用"指的是复用同一个线程。
多路复用I/O模型是一种同步I/O模型。实现一个线程监听多个文件句柄（也叫做文件描述符，FileDescription，简称FD），当有一个FD就绪时，则通知对应的应用程序进行读写操作。当没有FD就绪时，就会阻塞并交出CPU。
采用多路 I/O 复用技术可以让单个线程高效的处理多个连接请求（尽量减少网络IO的时间消耗）。

redis的IO多路复用：redis利用epoll来实现IO多路复用，将连接信息和事件放到队列中，依次放到文件事件分派器，事件分派器将事件分发给事件处理器。
redis是以socket方式通信，socket服务端可同时接受多个客户端请求连接，也就是说，redis服务同时面对多个redis客户端连接请求，而redis服务本身是单线程运行。

I/O 多路复用其实是使用一个线程来检查多个 Socket 的就绪状态，在单个线程中通过记录跟踪每一个 socket（I/O流）的状态来管理处理多个 I/O 流。

客户端与服务端建立连接交由socket，可以同时建立多个连接（这里应该是多线程/多进程），从探测到数据处理再到数据返回，全程单线程。这应该就是所谓的redis单线程。
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三、Redis为什么要引入多路复用I/O技术

I/O多路复用的本质是同步阻塞I/O模型，但是，它最大的优势在于可以在一次阻塞中监听多个文件描述符（FD）。我们带入redis的场景，来思考一下redis为什么使用多路复用I/O技术。

首先采用普通的同步阻塞I/O，那么Redis可能会在一个客户端上长期阻塞。该客户端可能长期没有数据到达，而Redis需要处理多个客户端的通信，当其他客户端有请求到达时，Redis则无法处理了，这显然是无法接受的。
如果使用同步非阻塞I/O，那么就需要不断轮循客户端，那么这种频繁的轮循会很浪费CPU资源，如果轮循不频繁，那么可能就会出现数据不能实时获取的问题。
如果使用异步IO模型，线程的创建和频繁的上下文切换会浪费更多的资源。其次Redis本身就是单进程单线程的模式工作，多线程等待多个客户端显然与其系统思想不符。
综上，多路复用I/O技术是首选。
“多路”指的是多个网络连接，“复用”指的是复用同一个线程。采用多路 I/O 复用技术可以让单个线程高效的处理多个连接请求（尽量减少网络IO的时间消耗）。可以直接理解为：单线程的原子操作，避免上下文切换的时间和性能消耗**；加上对内存中数据的处理速度，很自然的提高redis的吞吐量

四、总结

1. Redis使用的是同步阻塞I/O模型，I/O多路复用，使用了单线程来轮询描述符，将数据库的开、关、读、写都转换成了事件，减少了线程切换时上下文的切换和竞争。
2. Redis采用了单线程的模型，保证了每个操作的原子性，也减少了线程的上下文切换和竞争。
3. Redis采用自己实现的事件分离器，效率比较高，内部采用非阻塞的执行方式，吞吐能力比较大。

参考：
https://mp.weixin.qq.com/s/XzLHy41JrCV_y3BZpeTgwQ
https://blog.csdn.net/weixin_63566550/article/details/129121834

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