Redis使用单线程却快到飞起的原因，全在这里了
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最近更新：2022年2月23日
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文章目录
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- Redis为什么用单线程？
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- 多线程的开销
- Redis使用单线程为什么还这么快？
- 网络与IO操作的潜在阻塞点
- 基于多路复用的高性能IO模型
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- 回调机制
- Redis的性能瓶颈点
- 其他Redis相关的有趣问题
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- 1. 为什么要用Redis，直接访问内存不好吗？
- 2. 数据太多内存放不下怎么办？比如我要缓存100G的数据，怎么办？
Redis想必大家都或多或少听过吧，我们在工作学习中通常用它来作为缓存使用，既然是作为缓存，大家的第一反应肯定是：这家伙很快！
实际上它确实也很快 : )，但Redis底层却是单线程的！有同学可能就要有疑问了，为什么单线程的Redis却能够快到飞起？
别急，我尽量用通俗易懂的语言来给各位说道说道~~
Redis是单线程，主要是指Redis的网络IO和读写是由一个线程来完成的，但Redis的其他功能，比如持久化、异步删除、集群数据同步等，其实是由额外的线程执行的。这不是本文讨论的重点，有个印象即可
Redis为什么用单线程？
多线程的开销
通常情况下，在采用多线程后，如果没有良好的系统设计，其实是左图所展示的那样（注意纵坐标）。刚开始增加线程数时，系统吞吐率会增加，再进一步增加线程时，系统吞吐率就增长迟缓了，甚至还会出现下降的情况。
上面两张图的标题手误被我标反了，源码还删了=_=
关键瓶颈在于： 系统中通常会存在会被多线程同时访问的共享资源，为了保证共享资源的正确性，就需要有额外的机制保证线程安全性，例如加锁，这会带来额外的开销。
比如拿最常用的List类型来举例吧，假设Redis采用多线程设计，有两个线程A和B分别对List做LPUSH和LPUSH操作，为了使得每次执行都是相同的结果，即【B线程取出A线程放入的数据】就需要让这两个过程串行执行。这就是多线程编程模式面临的共享资源的并发访问控制问题。
并发访问控制一直是多线程开发中的一个难点问题：如果只是简单地采用一个互斥锁，就会出现即使增加了线程，大部分线程也在等待获取互斥锁，并行变串行，系统吞吐率并没有随着线程的增加而增加。
同时加入并发访问控制后也会降低系统代码的可读性和可维护性，所以Redis干脆直接采用了单线程模式。
Redis使用单线程为什么还这么快？
之所以使用单线程是Redis设计者多方面衡量的结果。
- Redis的大部分操作在内存上完成
- 采用了高效的数据结构，例如哈希表和跳表
- 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
既然Redis使用单线程进行IO，如果线程被阻塞了就无法进行多路复用了，所以不难想象，Redis肯定还针对网络和IO操作的潜在阻塞点进行了设计。
网络与IO操作的潜在阻塞点
在网络通信里，服务器为了处理一个Get请求，需要监听客户端请求（bind/listen），和客户端建立连接（accept），从socket中读取请求（recv），解析客户端发送请求（parse），最后给客户端返回结果（send）。
最基本的一种单线程实现是依次执行上面的操作。
上面标红的accept和recv操作都是潜在的阻塞点：
- 当Redis监听到有连接请求，但却一直不能成功建立起连接时，就会阻塞在
accept()函数这里，其他客户端此时也无法和Redis建立连接 - 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，也会一直阻塞
基于多路复用的高性能IO模型
为了解决IO中的阻塞问题，Redis采用了Linux的IO多路复用机制，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（select/epoll）。
内核会一直监听这些套接字上的连接或数据请求。一旦有请求到达，就会交给Redis处理，这就实现了一个Redis线程处理多个IO流的效果。
此时，Redis线程就不会阻塞在某一个特定的客户端请求处理上，所以它可以同时和多个客户端连接并处理请求。
回调机制
select/epoll一旦监测到FD上有请求到达时，就会触发相应的事件被放进一个队列里，Redis线程对该事件队列不断进行处理，所以就实现了基于事件的回调。
例如，Redis会对Accept和Read事件注册accept和get回调函数。当Linux内核监听到有连接请求或读数据请求时，就会触发Accept事件和Read事件，此时，内核就会回调Redis相应的accept和get函数进行处理。
Redis的性能瓶颈点
经过上面的分析，虽然通过多路复用机制可以同时监听多个客户端的请求，但Redis仍然有一些性能瓶颈点，这也是我们平时编程需要极力避免的情况。
1. 耗时操作
任意一个请求在Redis中一旦耗时较久，都会影响整个server的性能。后面的请求都要等前面这个耗时请求处理完成，自己才能被处理到。
这一点需要我们在设计业务场景时去规避；Redis的lazy-free机制也把释放内存的耗时操作放在了异步线程中去执行了。
2. 高并发场景
并发量非常大时，单线程读写客户端IO数据存在性能瓶颈，虽然采用IO多路复用机制，但还是只能单线程依次读取客户端的数据，无法利用到CPU多核。
Redis在6.0可以利用CPU多核多线程读写客户端数据，但只是针对客户端的读写是并行的，每个命令的真正操作还是单线程。
其他Redis相关的有趣问题
借此机会也提几个和redis相关的有意思的问题。
1. 为什么要用Redis，直接访问内存不好吗？
这一条其实并没有很明确的界定，对于一些不经常变动的数据，可以直接放到内存里，不一定要放到Redis里，可以放到内存里。一致性问题：如果一个数据被修改了，数据在本地内存里的话，可能只有一台服务器上的数据被修改了。如果用Redis里面的话，我们访问Redis服务器，可以解决一致性问题。
2. 数据太多内存放不下怎么办？比如我要缓存100G的数据，怎么办？
这里也要打一个广告Tair是淘宝开源的分布式KV缓存系统，它从Redis继承了丰富的操作，理论上总数据量无限制，针对可用性、可扩展性、可靠性也进行了升级，感兴趣的小伙伴们可以了解一下~