Redis單線程為什么這么快

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性能測試報(bào)告

查看了下阿里 Redis 的性能測試報(bào)告如下，能夠達(dá)到數(shù)十萬、百萬級別的 QPS（暫時忽略阿里對 Redis 所做的優(yōu)化），我們從 Redis 的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)來分析一下 Redis 是怎么做的。

Redis的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

其實(shí) Redis 主要是通過三個方面來滿足這樣高效吞吐量的性能需求

• 高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

• 多路復(fù)用 IO 模型

• 事件機(jī)制

1、高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Redis 支持的幾種高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) string（字符串）、hash（哈希）、list（列表）、set（集合）、zset（有序集合）。

以上幾種對外暴露的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)它們的底層編碼方式都是做了不同的優(yōu)化的，不細(xì)說了，不是本文重點(diǎn)。

2、多路復(fù)用 IO 模型

假設(shè)某一時刻與 Redis 服務(wù)器建立了 1 萬個長連接，對于阻塞式 IO 的做法就是，對每一條連接都建立一個線程來處理，那么就需要 1萬個線程，同時根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)對于 IO 密集型的操作我們一般設(shè)置，線程數(shù) = 2 * CPU 數(shù)量 + 1，對于 CPU 密集型的操作一般設(shè)置線程 = CPU 數(shù)量 + 1。

當(dāng)然各種書籍或者網(wǎng)上也有一個詳細(xì)的計(jì)算公式可以算出更加合適準(zhǔn)確的線程數(shù)量，但是得到的結(jié)果往往是一個比較小的值，像阻塞式 IO 這也動則創(chuàng)建成千上萬的線程，系統(tǒng)是無法承載這樣的負(fù)荷的更加彈不上高效的吞吐量和服務(wù)了。

而多路復(fù)用 IO 模型的做法是，用一個線程將這一萬個建立成功的鏈接陸續(xù)的放入 event_poll，event_poll 會為這一萬個長連接注冊回調(diào)函數(shù)，當(dāng)某一個長連接準(zhǔn)備就緒后（建立建立成功、數(shù)據(jù)讀取完成等），就會通過回調(diào)函數(shù)寫入到 event_poll 的就緒隊(duì)列 rdlist 中，這樣這個單線程就可以通過讀取 rdlist 獲取到需要的數(shù)據(jù)。

需要注意的是，除了異步 IO 外，其它的 I/O 模型其實(shí)都可以歸類為阻塞式 I/O 模型，不同的是像阻塞式 I/O 模型在第一階段讀取數(shù)據(jù)的時候，如果此時數(shù)據(jù)未準(zhǔn)備就緒需要阻塞，在第二階段數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后需要將數(shù)據(jù)從內(nèi)核態(tài)復(fù)制到用戶態(tài)這一步也是阻塞的。而多路復(fù)用 IO 模型在第一階段是不阻塞的，只會在第二階段阻塞。

通過這種方式，就可以用 1 個或者幾個線程來處理大量的連接了，極大的提升了吐吞量

3、事件機(jī)制

Redis 客戶端與 Redis 服務(wù)端建立連接，發(fā)送命令，Redis 服務(wù)器響應(yīng)命令都是需要通過事件機(jī)制來做的，如下圖

• 首先 redis 服務(wù)器運(yùn)行，監(jiān)聽套接字的 AE_READABLE 事件處于監(jiān)聽的狀態(tài)下，此時連接應(yīng)答處理器工作

• 客戶端與 Redis 服務(wù)器發(fā)起建立連接，監(jiān)聽套接字產(chǎn)生 AE_READABLE 事件，當(dāng) IO 多路復(fù)用程序監(jiān)聽到其準(zhǔn)備就緒后，將該事件壓入隊(duì)列中，由文件事件分派器獲取隊(duì)列中的事件交于連接應(yīng)答處理器工作處理，應(yīng)答客戶端建立連接成功，同時將客戶端 socket 的 AE_READABLE 事件壓入隊(duì)列由文件事件分派器獲取隊(duì)列中的事件交命令請求處理器關(guān)聯(lián)

• 客戶端發(fā)送 set key value 請求，客戶端 socket 的 AE_READABLE 事件，當(dāng) IO 多路復(fù)用程序監(jiān)聽到其準(zhǔn)備就緒后，將該事件壓入隊(duì)列中，由文件事件分派器獲取隊(duì)列中的事件交于命令請求處理器關(guān)聯(lián)處理

• 命令請求處理器關(guān)聯(lián)處理完成后，需要響應(yīng)客戶端操作完成，此時將產(chǎn)生 socket 的 AE_WRITEABLE 事件壓入隊(duì)列，由文件事件分派器獲取隊(duì)列中的事件交于命令恢復(fù)處理器處理，返回操作結(jié)果，完成后將解除 AE_WRITEABLE 事件與命令恢復(fù)處理器的關(guān)聯(lián)

reactor模式

大體上可以說 Redis 的工作模式是，reactor 模式配合一個隊(duì)列，用一個 serverAccept 線程來處理建立請求的鏈接，并且通過 IO 多路復(fù)用模型，讓內(nèi)核來監(jiān)聽這些 socket，一旦某些 socket 的讀寫事件準(zhǔn)備就緒后就對應(yīng)的事件壓入隊(duì)列中，然后 worker 工作，由文件事件分派器從中獲取事件交于對應(yīng)的處理器去執(zhí)行，當(dāng)某個事件執(zhí)行完成后文件事件分派器才會從隊(duì)列中獲取下一個事件進(jìn)行處理。

可以類比在 netty 中，我們一般會設(shè)置 bossGroup 和 workerGroup 默認(rèn)情況下 bossGroup 為 1，workerGroup = 2 * cpu 數(shù)量，這樣可以由多個線程來處理讀寫就緒的事件，但是其中不能有比較耗時的操作如果有的話需要將其放入線程池中，不然會降低其吐吞量。在 Redis 中我們可以看做這二者的值都是 1。

為什么說存儲的值不宜過大

比如一個 string key = a，存儲了 500MB，首先讀取事件壓入隊(duì)列中，文件事件分派器從中獲取到后，交于命令請求處理器處理，此處就涉及到從磁盤中加載 500MB。

比如是普通的 SSD 硬盤，讀取速度 200MB/S，那么需要 2.5S 的讀取時間，在內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)比較快比如 DDR4 中 50G/秒，讀取 500MB 需要 100 毫秒左右。

線程的庫一般默認(rèn) 10 毫秒就算慢查詢了，大部分的指令執(zhí)行時間都是微秒級別，此時其它 socket 所有的請求都將處于等待過程中，就會導(dǎo)致阻塞了 100 毫秒，同時又會占用較大的帶寬導(dǎo)致吞吐量進(jìn)一步下降。

讀到這里，這篇“Redis單線程為什么這么快”文章已經(jīng)介紹完畢，想要掌握這篇文章的知識點(diǎn)還需要大家自己動手實(shí)踐使用過才能領(lǐng)會，如果想了解更多相關(guān)內(nèi)容的文章，歡迎關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道。

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