1 IO模型

1.1 IO

IO (Input/Output，输入/输出)即数据的读取（接收）或写入（发送）操作，通常用户进程中的一个完整IO分为两阶段：用户进程空间<–>内核空间、内核空间<–>设备空间（磁盘、网络等）。IO有内存IO、网络IO和磁盘IO三种，通常我们说的IO指的是后两者。

LINUX中进程无法直接操作I/O设备，其必须通过系统调用请求kernel来协助完成I/O动作；内核会为每个I/O设备维护一个缓冲区。

对于一个输入操作来说，进程IO系统调用后，内核会先看缓冲区中有没有相应的缓存数据，没有的话再到设备中读取，因为设备IO一般速度较慢，需要等待；内核缓冲区有数据则直接复制到进程空间。

所以，对于一个网络输入操作通常包括两个不同阶段：

• 等待网络数据到达网卡 -> 读取到内核缓冲区，数据准备好；
• 从内核缓冲区复制数据到进程空间。

1.2 五种IO模型

《UNIX网络编程》说得很清楚，5种IO模型分别是阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO复用模型、信号驱动的IO模型、异步IO模型；前4种为同步IO操作，只有异步IO模型是异步IO操作。

1.2.1 阻塞IO模型-同步阻塞

进程发起IO系统调用后，进程被阻塞，转到内核空间处理，整个IO处理完毕后返回进程。操作成功则进程获取到数据。

典型应用：阻塞socket、Java BIO；

特点：

• 进程阻塞挂起不消耗CPU资源，及时响应每个操作；
• 实现难度低、开发应用较容易；
• 适用并发量小的网络应用开发；

不适用并发量大的应用：因为一个请求IO会阻塞进程，所以，得为每请求分配一个处理进程（线程）以及时响应，系统开销大。

1.2.2 非阻塞IO模型-同步非阻塞

进程发起IO系统调用后，如果内核缓冲区没有数据，需要到IO设备中读取，进程返回一个错误而不会被阻塞；进程发起IO系统调用后，如果内核缓冲区有数据，内核就会把数据返回进程。

非阻塞IO是在应用调用recvfrom读取数据时，如果该缓冲区没有数据的话，就会直接返回一个EWOULDBLOCK错误，不会让应用一直等待中。在没有数据的时候会即刻返回错误标识，那也意味着如果应用要读取数据就需要不断的调用recvfrom请求，直到读取到它数据要的数据为止。

**典型应用：**socket是非阻塞的方式（设置为NONBLOCK）

特点：

• 进程轮询（重复）调用，消耗CPU的资源；
• 实现难度低、开发应用相对阻塞IO模式较难；
• 适用并发量较小、且不需要及时响应的网络应用开发；

非阻塞IO在大量并发下问题

思考一个问题：

应用B从TCP缓冲区中读取数据，在并发的环境下，可能会N个人向应用B发送消息，这种情况下我们的应用就必须创建多个线程去读取数据，每个线程都会自己调用recvfrom去读取数据。那么此时情况可能如下图：

如上图一样，并发情况下服务器很可能一瞬间会收到大量的请求，这种情况下应用B就需要创建大量的线程去读取数据，同时又因为应用线程是不知道什么时候会有数据读取，为了保证消息能及时读取到，那么这些线程自己必须不断的向内核发送recvfrom请求来读取数据；

那么问题来了，这么多的线程不断调用recvfrom请求数据，先不说服务器能不能扛得住这么多线程，就算扛得住那么很明显这种方式是不是太浪费资源了，线程是我们操作系统的宝贵资源，大量的线程用来去读取数据了，那么就意味着能做其它事情的线程就会少。

所以，有人就提出了一个思路，能不能提供一种方式，可以由一个线程监控多个网络请求（我们后面将称为fd文件描述符，linux系统把所有网络请求以一个fd来标识），这样就可以只需要一个或几个线程就可以完成数据状态询问的操作，当有数据准备就绪之后再分配对应的线程去读取数据，这么做就可以节省出大量的线程资源出来，这个就是IO复用模型的思路。

1.2.3 多路IO复用模型-同步阻塞

IO复用模型的思路就是系统提供了一种函数可以同时监控多个fd的操作，这个函数就是我们常说到的select、poll、epoll函数，有了这个函数后，应用线程通过调用select函数就可以同时监控多个fd，select函数监控的fd中只要有任何一个数据状态准备就绪了，select函数就会返回可读状态，这时询问线程再去通知处理数据的线程，对应线程此时再发起recvfrom请求去读取数据。

什么是多路复用：

• 多路: 指的是多个socket网络连接;
• 复用: 指的是复用一个线程；
• 多路复用主要有三种技术：select，poll，epoll。epoll是最新的, 也是目前最好的多路复用技术；

进程通过将一个或多个fd传递给select，阻塞在select操作上，select帮我们侦测多个fd是否准备就绪，当有fd准备就绪时，select返回数据可读状态，应用程序再调用recvfrom读取数据。

复用IO的基本思路就是通过slect或poll、epoll 来监控多fd ，来达到不必为每个fd创建一个对应的监控线程，从而减少线程资源创建的目的。

Java的NIO为例

NIO 属于同步非阻塞，收到的请求会先注册到多路复用器 Selector 上，多路复用器轮询直到连接有 I/O 请求时才启动一个线程进行处理。也就是前文中的多路复用 I/O 模型，虽然说多路复用模型是阻塞的，但在 NIO 这里，因为有Selector，read 和 write 操作都是非阻塞的，其中 Selector 其实就是 select/poll/epoll 的外包类。

多路IO复用模型总结

多路IO复用也称事件驱动IO，在单个线程里同时监控多个套接字，通过 select 或 poll 轮询查看所负责的所有 socket，当某个 socket 有数据到达了，就通知用户进程。

多个进程的 IO 可以注册到同一个select上，当用户进程调用该select，select会监听所有注册好的 IO，如果所有被监听的 IO 需要的数据都没有准备好时，调用进程会阻塞，等待有套接字变为可读。当任意一个 IO 需要的数据准备好后，即当有套接字可读以后，select调用就会返回，然后进程再通过recvfrom来把对应的数据拷贝到用户进程缓冲区。

IO 复用模型，并没向内核注册信号处理函数，所以是阻塞的。进程在发出select后，要等到select监听的所有 IO 操作中的至少一个需要的数据准备好，才会返回，也需要再次发送请求去进行文件拷贝。整个用户进程其实是一直被阻塞的，但 IO 复用的优势在于可以等待多个描述符就绪。

IO 复用的特点是进行了两次系统调用，进程先是阻塞在 select 上，再阻塞在读操作的第二个阶段上。这是同步阻塞的。

多路复用机制重点: select/poll/epoll Linux系统函数，可以深入了解学习，这里只是简单介绍：

Linux中IO复用的实现方式主要有select、poll和epoll：

• Select：注册IO、阻塞扫描，监听的IO最大连接数不能多于FD_SIZE(32位机默认1024个，64位默认2048)；
• Poll：原理和Select相似，没有数量限制，但IO数量大扫描线性性能下降；
• Epoll ：事件驱动不阻塞，mmap实现内核与用户空间的消息传递，数量很大，Linux2.6后内核支持；

1.2.4 信号驱动IO模型-同步非阻塞

信号驱动模型是同步非阻塞的，首先要开启 socket 的信号驱动式 IO 功能，应用进程通过 sigaction 系统调用注册 SIGIO 信号处理函数，该系统调用会立即返回。当数据准备好时，内核会为该进程产生一个 SIGIO 信号通知，之后再把数据拷贝到用户空间中。

虽然等待数据期间用户态进程不被阻塞，但当收到信号通知时（SIGIO）是阻塞并拷贝数据，所以还是同步的

1.2.5 异步IO-异步非阻塞

用户进程在发起调用后，内核会立即返回。接着用户进程就干别的事去了。然后内核等待数据准备完毕，自动将数据拷贝到用户内存，接着给用户进程发了个信号，通知 IO 操作已完成，这才是五个 I/O 模型中唯一一个异步模型。

异步 IO 特点是 IO 执行的两个阶段（等待数据、拷贝数据）都由内核去完成，用户进程无需干预，也不会被阻塞。这就是异步非阻塞了。也就是 Java 中的 AIO。

1.3 IO模型对比总结

阻塞/非阻塞：关心的是当前线程是否被挂起

异步/同步：关心的是调用结果是否随着请求结束而返回

对比可以看出异步IO的吞吐量是最大的，也是“最牛的”，单看性能而言，的确是AIO要比NIO更胜一筹，那为什么不适用AIO（异步IO），而大量使用多路IO复用模型？

• 在Linux系统上，AIO的底层实现仍使用EPOLL，与NIO相同，因此在性能上没有明显的优势；Windows的AIO底层实现良好，但是Redis、Netty等开发人员并没有把Windows作为主要使用平台考虑

• AIO还有个缺点是接收数据需要预先分配缓存, 而不是NIO那种需要接收时才需要分配缓存, 所以对连接数量非常大但流量小的情况, 内存浪费很多。

• Linux上AIO不够成熟，处理回调结果速度跟不上处理需求，比如外卖员太少，顾客太多，供不应求，造成处理速度有瓶颈（待验证）。比如：要吃饭的人是百万，千万级的，送餐员也就几百人。所以一般要吃到饭，是自己去取快呢，还是等着送的更快？

2 Reactor模式

前面我们介绍的IO多路复用是操作系统的底层实现，借助IO多路复用我们实现了一个线程就可以处理大量网络IO请求，那么接收到这些请求后该如何高效的响应，这就是reactor要关注的事情，reactor模式是基于事件的一种设计模式。

Reactor线程模型的思想就是基于IO复用和线程池的结合，在reactor中分为3中角色：

Reactor：负责监听和分发事件
Acceptor：负责处理连接事件
Handler：负责处理请求，读取数据，写回数据

从线程角度出发，reactor又可以分为单reactor单线程，单reactor多线程，多reactor多线程3种。

网络IO模型介绍：https://www.processon.com/view/link/61de8d4df346fb06cb936173

2.1 单reactor单线程

处理过程：

1、reactor负责监听连接事件，当有连接到来时，通过acceptor处理连接，得到建立好的socket对象。

2、reactor监听scoket对象的读写事件，当有读写事件触发时，交由handler处理，handler负责读取请求内容，处理请求内容，响应数据。

特点：

模式比较简单，读取请求数据，处理请求内容，响应数据都是在一个线程内完成的，如果整个过程响应都比较快，可以获得比较好的结果。

缺点是请求都在一个线程内完成，无法发挥多核cpu的优势，如果处理请求内容这一块比较慢，就会影响整体性能。

2.2 单reactor多线程(Worker)

在单reactor单线程的基础上，既然处理请求可能由性能问题，那么这里可以开启一个线程池来处理，请求连接、读写还是由主线程（reactor线程）负责，处理请求内容交由线程池处理，相比之下，多线程模式可以利用cpu多核的优势。

处理过程：

1、reactor线程负责监听连接事件，当有连接到来时，通过acceptor处理连接，得到建立好的socket对象。

2、reactor监听scoket对象的读写事件，当有读写事件触发时，处理请求的数据的读写。

3、将业务处理交给worker线程池处理。

特点：

充分利用多核机器的资源、提高性能并且增加可靠性

缺点Reactor线程承担所有的事件，例如监听和响应，高并发场景下单线程存在性能问题

2.3 多reactor多线程

多reactor多线程又叫主从reactor+worker模型，这种模型下和第二种模型相比是把Reactor线程拆分了mainReactor和subReactor两个部分，mainReactor只处理连接事件，读写事件交给subReactor来处理，业务逻辑还是由线程池来处理。

由于mainRactor只处理连接事件，用一个线程来处理就好，subReactor处理读写事件，个数一般和CPU数量相等，一个subReactor对应一个线程。业务逻辑由线程池处理，具体线程池大小根据业务调节。

处理过程：

1、mainReactor线程负责监听连接事件，当有连接到来时，通过acceptor处理连接，得到建立好的socket对象。

2、subReactor线程负责监听scoket对象的读写事件，当有读写事件触发时，处理请求的数据的读写。

3、业务处理交给worker线程池处理。

特点：

充分利用多核机器的资源、提高性能并且增加可靠性

各个模块职责单一，降低耦合度，性能和稳定性都有提高

许多项目中广泛应用，比如Netty的主从线程模型等，缺点实现起来相对复杂一些

3 Redis IO模型

对于一个 DB 来说，CPU 通常不会是瓶颈，因为大多数请求不会是 CPU 密集型的，而是 I/O 密集型。具体到 Redis 的话，如果不考虑 RDB/AOF 等持久化方案，Redis 是完全的纯内存操作，执行速度是非常快的，因此这部分操作通常不会是性能瓶颈，Redis 真正的性能瓶颈在于网络 I/O，也就是客户端和服务端之间的网络传输延迟。

在4.0版本之前使用的是 单线程+IO多路复用，然而随着时间的推移，单线程越来越不满足一些应用场景了，比如针对大key删除会造成主线程阻塞的问题，redis4.0出了一个异步线程。单线程由于无法利用多核cpu的特性而导致无法满足更高的并发，redis 6.0推出了多线程模式。

2.1 单线程+IO多路复用

在4.0版本之前，单线程+IO多路复用使得redis的性能已经达到一个非常高的高度了，而且单线程也不需要考虑多线程带来的锁开销问题。按照redis官方介绍，单个节点的redis qps可以达到10w+，已经非常优秀，如果有更高的要求，则可以通过部署主从、集群方式进一步提升。

redis整个服务不可能只用到一个线程完成所有工作，它还有持久化、key过期删除、集群管理等其它模块，redis会通过fork子进程或开启额外的线程去处理。

“redis是单线程的！” 所谓的单线程是指从网络连接(accept) -> 读取请求内容(read) -> 执行命令 -> 响应内容(write)，这整个过程是由一个线程完成的，至于为什么redis要设计为单线程，主要有以下原因：

1. 基于内存。redis命令操作主要都是基于内存，这已经足够快，不需要借助多线程。
2. 高效的数据结构。redis底层提供了动态简单动态字符串(SDS)、跳表(skiplist)、压缩列表(ziplist)等数据结构来高效访问数据。
3. 保持简单。引入多线程会使redis变得复杂，例如需要考虑多线程并发访问资源竞争问题，数据结构也会变得复杂，hash就不能是单纯的hash，需要像java一设计一个ConcurrentHashMap。还需要考虑线程切换带来的性能损耗，基于第一点，当程序执行已经足够快，多线程并不能带来正面收益。

redis网络IO模型底层使用IO多路复用，通过reactor模式实现的，在redis 6.0以前属于单reactor单线程模式。

在linux下，IO多路复用程序使用epoll实现，负责监听服务端连接、socket的读取、写入事件，然后将事件丢到事件队列，由事件分发器对事件进行分发，事件分发器会根据事件类型，分发给对应的事件处理器进行处理。

2.1 单线程+IO多路复用+异步线程

在单线程模式下有这样一个问题，当执行删除某个很大的集合或者hash的时候会很耗时（不是连续内存），那么单线程的表现就是其他还在排队的命令就得等待。

于是redis4.0针对大key删除的情况，出了个异步线程。用unlink代替del去执行删除，这样当我们unlink的时候，redis会检测当删除的key是否需要放到异步线程去执行（比如集合的数量超过64个…），如果value足够大，那么就会放到异步线程里去处理，不会影响主线程。同样的还有flushall、flushdb都支持异步模式。

2.3 多线程模式

redis单线程+异步线程+分片已经能满足了绝大部分应用，redis在6.0还是推出了多线程模式。默认情况下，多线程模式是关闭的。

# io-threads 4 # work线程数，会启动 N - 1 个 IO 线程（主线程也算一个 IO 线程）
# io-threads-do-reads no # 是否开启

reids 6.0以前网络IO的读写和请求的处理都在一个线程完成，尽管redis在请求处理基于内存处理很快，不会称为系统瓶颈，但随着请求数的增加，网络读写这一块存在优化空间，为了提升执行命令前后的网络 I/O 性能，redis 6.0开始对网络IO读写提供多线程支持。

可以通过 io-threads 4 参数开启对网络写数据多线程支持，如果对于读也要开启多线程需要额外设置 io-threads-do-reads yes 参数，该参数默认是no，因为redis认为对于读开启多线程帮助不大，但如果你通过压测后发现有明显帮助，则可以开启。

redis 6.0多线程模型思想上类似单reactor多线程和多reactor多线程，但不完全一样，这两者handler对于逻辑处理这一块都是使用线程池，而redis命令执行依旧保持单线程。如下：

可以看到对于网络的读写都是提交给线程池去执行，这样多个socket的读写就可以并行化，充分利用了cpu多核优势，但Redis命令仍然在主线程中串行执行

2.4 性能对比

虽然多线程方案能提升1倍以上的性能，但整个方案仍然比较粗糙：

• 首先所有命令的执行仍然在主线程中进行，仍然可能存在性能瓶颈。
• 另外IO读写为批处理读写，即所有 IO 线程先读取完请求数据并且解析为redis命令后，主线程才开始执行解析的命令；然后待主线程执行完所有的redis命令后，才让所有 IO 线程再一起回复所有响应；即所有的IO线程都是统一执行读或写事件,不会有部分线程执行读操作，部分执行写操作，也就是说不同请求需要相互等待，效率不高。
• 在 IO线程批处理读写和主线程处理时，使用线程自旋检测等待（如下代码），效率更是低下，即便任务很少，也很容易把 CPU 打满。

2.5 Redis事件循环源码浅析

在 Redis 6.0 版本的代码中，事件驱动框架同样是调用 aeMain 函数来执行事件循环流程，该循环流程会调用 aeProcessEvents 函数处理各种事件。而在 aeProcessEvents 函数实际调用 aeApiPoll 函数捕获 IO 事件之前，beforeSleep 函数会被调用。

在beforeSleep函数中就会调用handleClientsWithPendingReadsUsingThreads和handleClientsWithPendingWritesUsingThreads 这两个函数：

//主线程执行逻辑：该函数主要负责将 clients_pending_read 列表中的客户端分配给 IO 线程进行处理；
int handleClientsWithPendingReadsUsingThreads(void) {
    // 忙轮询，累加所有 I/O 线程的原子任务计数器，直到所有计数器的遗留任务数量都是 0。
    // 表示所有任务都已经执行完成，结束轮询。
     /* Wait for all the other threads to end their work. */
    while(1) {
        unsigned long pending = 0;
        for (int j = 1; j < server.io_threads_num; j++)
            pending += getIOPendingCount(j);
        if (pending == 0) break;
    }
}

//主线程执行逻辑：该函数主要负责将 clients_pending_write 列表中的客户端分配给 IO 线程进行处理。
int handleClientsWithPendingWritesUsingThreads(void) {
    /* Wait for all the other threads to end their work. */
    while(1) {
        unsigned long pending = 0;
        for (int j = 1; j < server.io_threads_num; j++)
            pending += getIOPendingCount(j);
        if (pending == 0) break;
    }
   ...
}

在handleClientsWithPendingReadsUsingThreads中，不论是主线程还是IO线程都是调用readQueryFromClient函数进行操作，这个函数大体只干两件时间：

1. 将客户端的数据全部读取到querybuf中；
2. 调用processInputBuffer解析命令并执行；

在handleClientsWithPendingWritesUsingThreads，将所有客户端依次轮询分配给IO线程，IO线程也是调用writeToClient函数，把客户端缓冲区中的数据写回客户端

IO线程处理函数

每一个IO线程的处理函数都是 IOThreadMain ，也是在 networking.c 文件中定义的，它的主要执行逻辑是一个 while(1) 循环。在这个循环中，IOThreadMain 函数会把 io_threads_list 数组中，每个 IO 线程对应的待处理客户端列表读取出来，并依次取出要处理的客户端，然后根据线程要执行的操作标记进行不同的处理：

• io_threads_op 的值为宏定义 IO_THREADS_OP_WRITE：这表明该 IO 线程要做的是写操作，线程会调用 writeToClient 函数将数据写回客户端；
• io_threads_op 的值为宏定义 IO_THREADS_OP_READ：这表明该 IO 线程要做的是读操作，线程会调用 readQueryFromClient 函数从客户端读取数据。

//IO线程逻辑
void *IOThreadMain(void *myid)
    long id = (unsigned long)myid;
    while(1) {
        // 忙轮询100w 次循环，等待主线程分配 I/O 任务。
        /* Wait for start */
        for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
            if (io_threads_pending[id] != 0) break;
        }
      ...
    }
}