一篇文章带你搞透redis高性能IO模型

        Redis作为K-V数据库，应用非常广泛，在各大厂的面试中，redis也是绕不开的一个话题。我们说redis快，常规的解释是redis是基于内存实现的以及它的高效的数据结构，其实redis快的原因还有一个是因为使用了合适的IO模型，下面带大家分析一下。

        一.redis为什么要使用单线程

        在多线程并发大行其道的今天，为什么redis要另辟蹊径选择单线程，要理解这一点我们就要先了解多线程的开销。

        首先我们先明确两个概念，并行与并发：

并发(concurrency)：指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个进程指令被快速的轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但在微观上并不是同时执行的，只是把时间分成若干段，使多个进程快速交替的执行。
并行(parallel)：指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行。所以无论从微观还是从宏观来看，二者都是一起执行的。        

        可以看到对于并发场景来说在同一时刻只能有一条指令被执行，只不过处理器的处理速度极快，处理器在不同的线程来回中切换，给我们造成了一种所有指令同时运行的假象，这也就是为什么我们能够在电脑中同时运行超过我们CPU核心数的进程。注意到我们前面说的线程的切换，实际上这个操作是需要花费很多时间的。

        CPU分配给每个线程的执行时间，我们一把称作时间片。时间片一般为几十毫秒。CPU通过时间片分配算法来循环执行任务，当前任务执行一个时间片后切换到下一个任务。但是我们思考一个这样的问题，时间片是一定的，但是任务所需时间是不一定的，也就是在时间片结束前，任务可能不能完全完成，那么我们就需要保存上一次任务的状态，以便下一次的再处理。所以任务从保存到再加载的过程就是我们常说的线程的上下文切换。对于redis这种应用于经常要处理海量数据的数据库来说，这个消耗成本是不可接受的。另外多线程编程模式下，还会面临对共享资源的并发访问的控制问题。

        二.单线程的redis为什么快

        通常来说，单线程的处理能力要比多线程差很多，但是 Redis 却能使用单线程模型达到每秒数十万级别的处理能力，这是为什么呢？其实，这是 Redis 多方面设计选择的一个综合结果。

        一方面，Redis 的大部分操作在内存上完成，再加上它采用了高效的数据结构，例如哈希表和跳表，这是它实现高性能的一个重要原因。另一方面，就是 Redis 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。

        下面我们深入的探讨一下网络中的基本IO模型，和多路复用机制的优点。

        三.redis用的多路复用机制好在哪？

                在这里我们主要介绍：阻塞式IO、非阻塞式IO和多路复用。

                （1）阻塞式IO

                        如上图所示，首先解释用户程序空间和内核空间：在java中用read方法从网络上读取数据，需要由操作系统来做这个事情，这里就涉及到用户空间和内核空间的切换，操作系统中有一个read方法来真正完成数据读取。而真正读取数据又分为两个阶段，等待数据和复制数据（从网卡读到内存），等复制结束了再从操作系统内核空间将数据传输到用户程序空间。所谓阻塞式IO模式就是在读取数据期间，内核空间等待数据和复制数据的过程中，用户线程啥活都做不了。

        （2）非阻塞式IO

        

                如上图所示，非阻塞IO在等待数据阶段没有读取到数据会直接返回，然后不断地重复这个过程，用户线程始终是运行状态。不过，真正在复制数据的阶段用户线程依然是阻塞住的。

        （3）多路复用

                可以看到，阻塞式IO会一直阻塞住等待内核的返回结果，这一等不仅可能会等到海枯石烂，而且还干不了其他活啊，于是出现了非阻塞式IO，我不能傻傻的等着啊，于是乎，在非阻塞的情况下，我们需要在一个循环中不断地查询内核，“哥，数据准备好没有啊？”，如果没有准备好，内核会返回给我们一个EWOULDBLOCK的错误，相比于阻塞式IO呆呆地等在原地啥也不干，非阻塞显然可以在循环中处理一些其他事情，当然，频繁的进行系统调用，这是会耗费大量的CPU资源的。那么，阻塞式IO和非阻塞式IO都存在相应的问题，不过我们细细分析一下可以发现，不对啊，为啥要我一直来问内核呢，内核你数据准备好通知我一声不就好了嘛。

                没错，这就是IO多路复用的设计初衷，我们熟悉的select/poll/epoll就是为了实现这种想法，同时能够支持多个套接字的网络事件，具体差别不展开讲了。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。看到没，redis使用单线程＋多路复用的机制实现了并发处理海量数据的目的。redis并不会阻塞在某一个特定客户端请求处理上，也不会像非阻塞式IO一样不断轮询看是否有请求发生，而是不断地去对内核通知的请求进行处理。

四.启示

        最后提醒一点，我们通常说，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，这也是 Redis 对外提供键值存储服务的主要流程。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。

        这给我们带来什么启示？在生活中难免遇到各种各样的琐事，我们应该像redis一样，理清楚主要矛盾，将主要精力集中在你最想做的事情上，而不是什么事情都耗费很大的精力，这样才能做出成绩，加油吧。