为什么用Redis？说说Redis的线程模型

news2024/9/19 13:17:43

使用Redis存储相比直接使用Java内存的Map有以下几个优势：

持久化：

Redis支持数据持久化，即使发生服务器重启或意外宕机，数据仍然可以被恢复。而使用Java内存的Map，当应用程序关闭或重启时，数据将会丢失。

分布式支持：

Redis是一个分布式数据库，可以通过配置集群来水平扩展和处理大规模的数据集。相比之下，Java内存的Map仅限于单个应用程序实例，无法进行分布式部署。

高级数据结构：

Redis提供了丰富的数据结构，如字符串、哈希表、列表、集合和有序集合等，并且支持在这些数据结构上执行各种原子操作和高级操作。这使得Redis能够更方便地处理复杂的数据操作和查询。而Java内存的Map只提供了基本的键值对数据结构。

缓存功能：

Redis常用于作为缓存层，可以通过设置过期时间、LRU策略等来自动管理缓存数据，帮助减轻数据库的负载压力。而Java内存的Map没有提供像Redis一样的缓存管理功能。

数据类型灵活：

Redis支持多种操作类型并提供了相应的操作方法，可以满足不同场景下的需求。Java内存的Map只能存储简单的键值对。

需要注意的是，Redis作为一个独立的数据库服务，与应用程序通过网络进行通信。而Java内存的Map直接在程序内部使用。因此，使用Redis可能会引入一些额外的网络开销和延迟。对于较小规模的数据集和简单的数据需求，直接使用Java内存的Map可能更加合适。但对于大规模的、需要持久化、分布式支持以及复杂数据操作的场景，Redis是一个更强大和适用的选择。

为什么要用Redis？

从上面可知：Redis是基于内存，常用作于缓存的一种技术，并且Redis存储的方式是以key-value的形式。

我们可以发现这不就是Java的Map容器所拥有的特性吗，那为什么还需要Redis呢？

1.Java实现的Map是本地缓存，如果有多台实例（机器）的话，每个实例都需要各自保存一份缓存，缓存不具有一致性。

2.Redis实现的是分布式缓存，如果有多台实例（机器）的话，每个实例都共享一份缓存，缓存具有一致性。

3.Java实现的Map不是专业做缓存的，JVM内存太大容易挂掉的。一般用做于容器来存储临时数据，缓存的数据随着JVM摧毁而结束。Map所存储的数据结构，缓存过期机制等等是需要程序员自己手写的。

4.Redis是专业做缓存的，可以用几十个G来做缓存。Redis一般用作缓存，可以将缓存数据保存在硬盘中，Redis重启了后可以将其恢复。原生提供丰富的数据结构、缓存过期机制，等等简单好用的功能。

1、本地缓存资源浪费

多个业务系统的节点每个都要存一份，10个节点的集群就浪费了9份。

2、本地缓存有内存一致性问题

不同节点的本地内存数据，版本会不一致。就是说A节点数据值是x2，但B节点还没来得及更新还是x1。这会导致不同用户请求，甚至在同一个用户请求打到不同节点上，值不一样，造成业务错误。

3、本地缓存的机器内存有限

Redis集群模式，是分片的，内存理论上是可以无限扩展，轻松存个几百G。而业务程序不可能存的下。

Redis的线程模型

Redis最初设计为单线程的服务器，即所有的客户端请求都由主线程顺序地处理。这意味着在同一时间，Redis只能处理一个请求。虽然听起来单线程可能会成为性能瓶颈，但由于 Redis 的核心操作都是在内存中完成的，且单个操作的执行速度非常快，因此单线程模型在大多数情况下都能提供高性能。

为什么 Redis 选择单线程模型

避免了线程切换的开销：线程切换会带来 CPU 上下文切换的开销。由于 Redis 的操作通常非常快速，线程切换的成本可能会比操作本身还高。
简化了代码实现：单线程模型避免了多线程编程中的竞态条件、死锁等复杂问题，使代码更加简单可靠。
利用 IO 多路复用技术：Redis 使用了 IO 多路复用机制，通过 epoll、kqueue 等系统调用，同时监听多个文件描述符（客户端连接），当某个文件描述符就绪时，主线程会处理相应的事件。

Redis 的多线程优化

尽管 Redis 的核心操作是单线程的，但在 Redis 6.0 及以后的版本中，引入了 多线程 IO 特性，用于优化网络 IO 的性能。

多线程 IO 模型

背景：在高并发环境下，网络数据的读写会占用 Redis 主线程的部分时间，导致处理请求的效率下降。
实现方式：Redis 在接收客户端的请求时，使用多线程并行地读取网络数据，将请求数据读入内存缓冲区。
工作流程：
1. 主线程：负责接受新的客户端连接，管理客户端状态，以及执行具体的命令操作。
2. IO 线程：在读取阶段，多个 IO 线程并行地从已就绪的客户端连接中读取请求数据。在回复阶段，IO 线程也可以并行地将响应数据写回给客户端。

注意事项

线程安全：Redis 确保在多线程模型下的数据安全性，IO 线程仅负责数据的读写，不涉及对数据的修改操作。
性能提升：在网络带宽高、CPU 多核的环境下，启用多线程 IO 可以显著提升 Redis 的吞吐量。

Redis 的事件循环机制

Redis 的单线程通过 事件循环 来管理所有的事件，包括网络事件和定时任务。事件循环主要包括以下部分：

文件事件处理器：基于 Reactor 模式，使用 IO 多路复用机制监听套接字事件，将就绪的事件放入队列中处理。
时间事件处理器：处理定时任务，如键的过期检查、异步任务等。
事件调度器：循环地从事件队列中取出事件，调用相应的事件处理器。

总结

单线程核心：Redis 的核心操作（如命令执行）依然是单线程的，这使得 Redis 在处理数据时避免了锁的竞争，保证了操作的原子性。
多线程 IO 优化：从 Redis 6.0 开始，引入了多线程 IO，以优化网络数据的读写，提高高并发环境下的性能。
适用场景：对于多数使用场景，默认的单线程模型已经足够高效。只有在网络 IO 成为瓶颈时，才需要考虑启用多线程 IO。
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