【Redis破障之路】三：Redis單執行緒架構

三分惡發表於2021-04-26

Redis執行緒架構

眾所周知，Redis是一個單執行緒架構的NoSQL資料庫，但是是單執行緒模型的Redis為什麼效能如此之高?這就是我們接下來要探究學習的內容。

1、Redis的單執行緒架構

1.1、Redis單執行緒簡介

首先要明白，Redis的單執行緒指的是執行命令時的單執行緒。

Redis客戶端與服務端的模型可以簡化成下圖，每次客戶端呼叫都經歷了傳送命令、執行命令、返回結果三個過程。

Redis客戶端請求與服務端響應

我們說的單執行緒就是在第二步執行命令，一條命令從從客戶端達到服務端不會立刻被執行，而是會進入一個佇列中等待，每次只會有一條指令被選中執行。

Redis單執行緒執行命令

傳送命令、返回結果、命令排隊這些就不是那麼簡單了，例如Redis使用了I/O多路複用技術來解決I/O的問題。

1.2、Redis為什麼要使用單執行緒

這是官方的解釋：https://redis.io/topics/faq

Redis單執行緒

官方FAQ表示，因為Redis是基於記憶體的操作，CPU成為Redis的瓶頸的情況很少見，Redis的瓶頸最有可能是記憶體的大小或者網路限制。

如果想要最大程度利用CPU，可以在一臺機器上啟動多個Redis例項。

值得一提的，網路上存在這樣的觀點：吐槽官方的解釋有些敷衍，其實就是歷史原因，開發者嫌多執行緒麻煩，後來這個CPU的利用問題就被拋給了使用者。

同時FAQ裡還提到了， Redis 4.0 之後開始變成多執行緒，除了主執行緒外，它也有後臺執行緒在處理一些較為緩慢的操作，例如清理髒資料、無用連線的釋放、大 Key 的刪除等等。

1.3、為什麼單執行緒還能這麼快

通常來講，單執行緒處理能力要比多執行緒差，那麼為什麼Redis使用單執行緒模型會達到每秒萬級別的處理能力呢？可以將其歸結為三點：

第一：純記憶體訪問，Redis將所有資料放在記憶體中，記憶體的響應時長大約為100納秒，這是Redis達到每秒萬級別訪問的最重要的基礎。
第二：非阻塞I/O，Redis使用epoll作為I/O多路複用技術的實現，再加上Redis自身的事件處理模型將epoll中的連線、讀寫、關閉都轉換為事件，不在網路I/O上浪費過多的時間

Redis使用IO多路複用和自身事件模型

這裡再擴充套件一下I/O多路複用：

引用知乎上一個高讚的回答來解釋什麼是I/O多路複用。假設你是一個老師，讓30個學生解答一道題目，然後檢查學生做的是否正確，你有下面幾個選擇：

第一種選擇：按順序逐個檢查，先檢查A，然後是B，之後是C、D。。。這中間如果有一個學生卡主，全班都會被耽誤。這種模式就好比，你用迴圈挨個處理socket，根本不具有併發能力。
第二種選擇：你建立30個分身，每個分身檢查一個學生的答案是否正確。這種類似於為每一個使用者建立一個程式或者執行緒處理連線。
第三種選擇，你站在講臺上等，誰解答完誰舉手。這時C、D舉手，表示他們解答問題完畢，你下去依次檢查C、D的答案，然後繼續回到講臺上等。此時E、A又舉手，然後去處理E和A。

第一種就是阻塞IO模型，第三種就是I/O複用模型，Linux下的select、poll和epoll就是幹這個的。將使用者socket對應的fd註冊進epoll，然後epoll幫你監聽哪些socket上有訊息到達，這樣就避免了大量的無用操作。此時的socket應該採用非阻塞模式。

這樣，整個過程只在呼叫select、poll、epoll這些呼叫的時候才會阻塞，收發客戶訊息是不會阻塞的，整個程式或者執行緒就被充分利用起來，這就是事件驅動，所謂的reactor模式。

多路複用模型

第三：單執行緒避免了執行緒切換和競態產生的消耗。

我們繼續來看Redis單執行緒卻很快的最後一條原因，在多執行緒開發中，存線上程的切換和競爭，這樣一來，是有時間的消耗的。對於需要磁碟I/O的程式來講，磁碟I/O是一個比較耗時的操作，所以對於需要進行磁碟I/O的程式，我們可以使用多執行緒，在某個執行緒進行I/O時，CPU切換到當前程式的其他執行緒執行，以此減少CPU的等待時間。

那麼問題來了。Redis的資料存放在記憶體中，將記憶體中的資料讀入CPU時，CPU不是依然需要等待嗎，為什麼不能在等待資料從記憶體讀入CPU期間執行其他執行緒，以此提高CPU的使用率呢？這個問題的答案很簡單，記憶體的讀些速度雖然比CPU慢很多，但是也是非常快的。CPU切換執行緒需要花費一定的時間，而多次切換執行緒所花費的時間，可能比直接使用單執行緒執行相同的任務，花費的時間要更多，這是非常不划算的。

單執行緒也會有一個問題：對於每個命令的執行時間是有要求的。如果某個命令執行過長，會造成其他命令的阻塞，對於Redis這種高效能的服務來說是致命的，所以Redis是面向快速執行場景的資料庫。