Redis高性能IO和多线程

1.Redis是单线程还是多线程？

        我们在学习 Redis 时听得最多的就是 Redis 是单线程的，其实这种说法并不严谨。严格来说 Redis 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，包括Socket读，解析，执行，Socket写等。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。

2.Redis为什么用单线程？

        首先，我们Redis一般是作为缓存来使用的，所以数据会全部放在内存中，而内存的存取速度会非常快，所以Redis的性能瓶颈不在CPU。

        其次，一个关键的问题在于如果采用多线程方案，系统中通常会存在被多线程同时访问的共享资源，比如一个共享的数据结构。Redis 有 String 的数据类型，如果值类型那么实际存储的是数字，并提供自增（INCR）操作。假设现在有两个线程 A 和 B且初始值为0，线程 A、B同时 对其做 INCR 操作。为了保证结果的正确性，Redis 需要让线程 A 和 B 的 INCR 串行执行。否则，我们可能就会得到错误的结果。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粗粒度互斥锁时，即使增加了线程，大部分线程也在等待获取访问共享资源的互斥锁，并行变串行，系统吞吐率并没有随着线程的增加而增加。所以Redis 直接采用了单线程模式。

3.Redis单线程为什么那么快？

        一方面，Redis 的大部分操作在内存上完成，因此所有的运算都是内存级别的，所以性能比较高。

        另一方面，它采用了高效的数据结构，这些数据结构的查询和操作的时候复杂度大部分都是O(1)，这是它实现高性能的一个重要原因。

        再一方面，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。

4.基于多路复用的高性能 I/O 模型

        Linux 中的 IO 多路复用机制是指一个线程处理多个 IO 流。多路指的是多个网络连接客户端，复用指的是复用同一个线程。简单来说，Redis 网络框架通过 select/pool/epoll 机制，让内核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。Redis 线程不会阻塞在某一个特定套接字上，也就是说，不会阻塞在某一个特定的客户端请求处理上。

        select/pool/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/pool/epoll 一旦监测到 套接字上有请求到达时，就会触发相应的事件。这些事件会被放进一个事件队列，Redis 通过单线程对该事件队列不断进行处理，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。

5.从单线程处理网络请求到多线程处理

        通过以上分析可知，虽然Redis通过多路复用极大的提高了性能，但Redis对请求的读取，解析，执行，响应等操作是在单线程中执行的。此时Redis的瓶颈就出现了，因为IO读写是阻塞的，当有Socket中有数据的时候，Redis会先将数据读取并解析，然后进行命令的处理，然后再将响应数据通过网络发送给客户端。当数据量越大时，拷贝与发送的数据量就越大，阻塞的时候就会越长。

        为了应对这个问题，Redis6.0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。Redis6.0 的多 IO 线程只是用来处理网络请求，对于读写命令，Redis 仍然使用单线程来处理。这是因为，Redis 处理请求时，网络处理经常是瓶颈，通过多个 IO 线程并行处理网络操作，可以提升实例的整体处理性能。而继续使用单线程执行命令操作保证并发安全。

 阶段一：服务端和客户端建立 Socket 连接，并分配IO处理线程

 阶段二：主线程阻塞，IO 线程并行读取并解析请求

 阶段三：主线程执行请求操作

 阶段四：主线程阻塞，IO 线程并行回写 Socket 后主线程清空全局队列