【Redis】Redis线程与IO模型

【Redis】Redis线程与IO模型—（三）

news2024/9/21 20:29:57

Redis线程与IO模型

- 一、Redis 单线程
- 二、多路复用机制
- 三、Redis 6.0 多线程特性
- 四、IO 多线程配置

一、Redis 单线程

通常说 Redis 是单线程，主要是指 Redis 的网络 IO 和键值对读写是由一个线程来完成的，其他功能，比如持久化、异步删除、集群数据同步等，是由额外的线程执行的，所以严格来说，Redis 并不是单线程。

多线程开发会不可避免的带来并发控制和资源开销的问题，如果没有良好的系统设计往往会适得其反，为了避免这些问题，Redis 直接采用了单线程模式。

Redis 单线程模型能达到每秒数十万级别的处理能力，一方面是大部分操作在内存上完成 + 高效的数据结构，例如哈希表和跳表。另一方面，就是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。

在了解多路复用之前，要先明白网络操作的基本 IO 模型和潜在的阻塞点。如果单线程被阻塞了，就无法进行多路复用了。以 Get 请求为例如下图，bind/listen、accept、recv、parse 和 send 属于网络 IO 处理，get 属于键值数据操作。
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这里的网络 IO 操作中，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。类似的，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 网络模型可以设置非阻塞模式，基于此 Linux 中的 IO 多路复用机制就要登场了。

二、多路复用机制

Linux 中的 IO 多路复用机制是指一个线程处理多个 IO 流，就是我们经常听到的 select/epoll 机制。简单来说，在 Redis 只运行单线程的情况下，该机制允许内核中，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。
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图中的多个 FD 就是指多个套接字，Redis 网络框架调用 epoll 机制，让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，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。

为了在请求到达时能通知到 Redis 线程，select/epoll 提供了基于事件的回调机制，即针对不同事件的发生，调用相应的处理函数，select/epoll 一旦监测到 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。这样一来，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。同时，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。

三、Redis 6.0 多线程特性

Redis 6.0 之前，虽然有些命令操作可以用后台线程或子进程执行（比如数据删除、快照生成、AOF 重写），但是，从网络 IO 处理到实际的读写命令处理，都是由单个线程完成的，有时会成为 Redis 的性能瓶颈。Redis 6.0 之后采用多个 IO 线程来处理网络请求，提高网络请求处理的并行度，对于读写命令，仍然使用单线程来处理。

具体流程：
（1）主线程接收到客户端连接请求后创建连接，将 Socket 放入全局等待队列中，通过轮询分配给 IO 线程。

（2）分配后主线程就会进入阻塞状态，等待 IO 线程完成客户端请求读取和解析，多个 IO 线程在并行处理，嗖嗖嗖。

（3）IO 线程解析完请求，主线程还是会以单线程的方式执行这些命令操作。
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