Redis 线程与IO模型

3月前

1、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。
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。

2、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。
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。

3、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。
（4）主线程执行完请求操作后，把返回结果写入缓冲区，主线程阻塞等待 IO 线程把这些结果回写到 Socket 中，并返回给客户端。
和 IO 线程读取和解析请求一样，IO 线程回写 Socket 时，也是有多个线程在并发执行，所以回写 Socket 的速度也很快。等到 IO 线程回写 Socket 完毕，主线程会清空全局队列，等待客户端的后续请求。