redis线程模型

一、redis单线程模型

首先需要注意的是，redis整体而言并不是单线程。
redis-server是主线程，所说的redis是单线程主要指redis-server这个线程，用于处理命令。

所谓的redis单线程，指的是命令处理、逻辑处理在一个单线程中。即【接收客户端请求–>解析请求 -->进行数据读写等操作–>发送数据给客户端】这个过程是由一个线程（主线程）来完成的。

redis 6.0 版本之前的单线模式

图中的蓝色部分是一个事件循环，是由主线程负责的，可以看到网络 I/O 和命令处理都是单线程。

1.1 为什么redis命令处理是单线程，而不采用多线程

1. redis支持多种数据结构（如string、list、hash、set、zset等），每个对象类型都是由多个数据结构实现的。因此多线程环境下，加锁复杂、锁粒度不好控制。
2. 频繁的上下文切换，会带来更多的时间和性能上的开销，从而抵消多线程的优势。redis作为数据库，并不是每时每刻都有密集访问。在多线程环境下，访问少时需要将一些线程休眠，访问多时又需要唤醒，这就存在频繁的线程调度问题。

1.2 单线程的局限及redis的优化方式

单线程最大的局限，在于不能有耗时操作，即阻塞IO、CPU运算时间比较长的任务等。这会影响redis的响应性能。

redis的耗时操作以及其解决优化方式：
1）IO密集型 —— 磁盘IO ： redis提供了类似于日志备份的 aof（Append-Only File）方式以支持持久化，也就是对数据的更改操作需要刷新落到磁盘里。针对这个耗时操作，redis有两种优化方法：1、rdb（Redis Database）文件：redis会fork一个子进程，在子进程中进行持久化，不占用主线程的资源。2、aof持久化策略：redis会创建bio_aof_fsync线程进程异步刷盘。

2）IO密集型 —— 网络IO ：当redis服务多个客户端时，如果数据请求或返回数据量比较大时，造成了IO密集型的情况，也是比较耗时的操作。对比，redis通过开启IO多线程（io_thd_*线程）来处理网络IO。

3）CPU密集型：redis支持丰富的数据结构，而有些数据结构操作的事件复杂度比较高，就可能会导致CPU花费大量的时间去计算。对比，redis采用分治的方式。

二、redis单线程为什么这么快

2.1 采用的机制

redis采用了以下机制

1. redis是内存数据库，数据存储在内存中，可以高效地访问。
2. redis使用hash table的数据组织方式，查询数据的时间复杂度为$O(1)$，能快速查找数据。
3. redis采用了高效的数据结构，可以根据性能进行数据结构切换，使得执行效率与空间占用保持平衡。
4. redis使用高效的reactor网络模型。

2.2 优化的措施

1. redis采用分治的思想，把rehash分摊到之后的每步增删查改的操作当中。同时，在定时器中最大执行1毫秒的rehash，每次步长100个数组槽位。
2. redis将耗时阻塞的操作，放在其他线程处理。
3. redis针对不同的对象类型采用不同的数据结构实现。比如string对象针对不同的数据长度，有int、raw、embstr三种编码方式。

127.0.0.1:6379> set name jack
OK
127.0.0.1:6379> OBJECT encoding name
"embstr"
127.0.0.1:6379> set name "1001"
OK
127.0.0.1:6379> OBJECT encoding name
"int"
127.0.0.1:6379> set name 123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890
OK
127.0.0.1:6379> OBJECT encoding name
"raw"

三、redis的IO多线程模型

3.1 redis 为什么引入IO多线程模型

在 redis 6.0 版本之后，也采用了多个 I/O 线程来处理网络请求，这是因为随着网络硬件的性能提升，redis 的性能瓶颈有时会出现在网络 I/O 的处理上。所以为了提高网络 I/O 的并行度，Redis 6.0 对于网络 I/O 采用多线程来处理。但是对于命令的执行，Redis 仍然使用单线程来处理。

即多线程处理网络IO（read、decode和encode、send阶段）。主线程使用单线程，执行命令处理业务逻辑（因为 redis 采用高效的数据结构，其业务逻辑处理较快，所以用单线程即可）。

3.2 配置io-threads-do-reads

io-threads-do-reads是 redis.conf 文件中的一个配置选项，用于控制 I/O 线程是否执行读取操作。

默认情况下 I/O 多线程只针对发送响应数据（ encode, send），并不会以多线程的方式处理读请求（ read, decode）。要想开启多线程处理客户端读请求，就需要把 Redis.conf 配置文件中的 io-threads-do-reads 配置项设为 yes。

//读请求也使用io多线程
io-threads-do-reads yes 

// io-threads N，表示启用 N-1 个 I/O 多线程（主线程也算一个 I/O 线程）
io-threads 4 

当将 io-threads-do-reads 设置为 “yes” 时，I/O 线程将负责处理客户端请求的读取操作。这意味着 I/O 线程可以直接从套接字中读取数据，并进行相应的处理，而无需等待主线程来分发任务。

使用 io-threads-do-reads 的好处是能够减轻主线程的负担，提高系统的并发性能和响应速度。通过将读取操作分配给专门的 I/O 线程，可以使主线程更专注于处理其他的任务，如写入操作、协议解析和业务逻辑等。

3.3 流程

对于 redis 来说，它采用的是 I/O 多路复用技术而不是真正的多线程模型。其基本流程：

1. redis-server主线程作为生产者：
   $\bullet$ 当有新的客户端连接请求到达时，主线程会将对应的客户端套接字加入到clients_pending_read 队列中。这表示该连接上有数据可读，需要被处理。
   $\bullet$ 当有客户端数据写入请求到达时，主线程会将对应的客户端套接字加入到 clients_pending_write 队列中。这表示该连接上可以进行写操作。
2. redis-server主线程作为消费者：
   $\bullet$ 主线程通过循环遍历 clients_pending_read 队列中的客户端套接字，并将其分配给合适的 I/O 线程处理。主线程会根据负载均衡策略（如轮询或哈希）来决定将客户端套接字分发给哪个 I/O 线程的专属队列。
   $\bullet$ 类似地，主线程也会从 clients_pending_write 队列中获取客户端套接字，并将其分配给适当的 I/O 线程处理。
3. I/O 线程执行任务：
   $\bullet$ 每个 I/O 线程拥有一个专属队列（如 io_threads_list[id]），主线程将客户端套接字分配给指定的 I/O 线程，并将其加入到对应的队列中。
   $\bullet$ I/O 线程通过从自己的队列中获取客户端套接字，进行实际的读写操作和请求处理。一旦完成操作，也可以将结果返回给主线程。

通过这种队列模型和任务调度方式，主线程在兼顾生产者和消费者角色的同时，能够高效地将任务分发给对应的 I/O 线程进行处理，以提高并发性能和系统的吞吐量。同时，这种设计还能避免多线程并发带来的同步问题和竞争条件，保证了系统的稳定性和可靠性。