Redis 线程模式

Redis 是单线程吗？

Redis 单线程指的是 [接收客户端请求 -> 解析请求 -> 进行数据读写操作 -> 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，这也是常说的 Redis 是单线程的原因。

但是 ，Redis 程序不是单线程的，Redis 在启动的时候，是会 启动后台线程 的：

• Redis 在 2.6 版本，会启动 2 个后台线程，分别处理关闭文件、AOF刷盘这两个任务；
• Redis 在 4.0 版本后，新增了一个新的后台线程，用来异步释放 Redis 内存，也就是 lazyfree 线程。例如执行 unlink key / flushdb async / flushall async 等命令，会把这些删除操作交给后台线程来执行，好处就是不会导致 Redis 主线程卡顿。因此，当我们要删除一个大 key 的时候，不要使用 del 命令删除，因为 del 是在主线程处理的，这样会导致 Redis 主线程卡顿，因此我们应该使用 unlink 命令来异步删除大 key。

之所以 Redis 为 [关闭文件、AOF 刷盘、释放内存] 这些任务创建单独的线程来处理，是因为这些任务的操作都是很耗时的，如果把这些任务都放在主线程来处理，那么 Redis 主线程就很容易发生阻塞，这样就无法处理后续的请求了。

后台线程相当于一个消费者，生产者把耗时任务丢到任务队列中，消费者（BIO）不停轮询这个队列，拿出任务就去执行对应的方法即可。

关闭文件、AOF刷盘、释放内存这三个任务都有各自的任务队列：

• BIO_CLOSE_FILE，关闭文件任务队列：当队列有任务后，后台线程会调用 close(fd)，将文件关闭；
• BIO_AOF_FSYNC，AOF刷盘任务队列：当 AOF日志配置成 everysec 选项后，主线程会把 AOF写日志操作封装成一个任务，也放到队列中。当发现队列有任务后，后台线程会调用 fsync(fd) ，将 AOF 文件刷盘；
• BIO_LAZY_FREE，lazy free 任务队列：当队列有任务后，后台线程会 free(obj)释放对象 / free(dict) 删除数据库所有对象 / free(skiplist) 释放跳表对象；

---

Redis 单线程模式是怎样的？

Redis 6.0 版本之前的单线程模式如下图：

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。Redis 初始化的时候，会做下面几件事情：

• 首先，调用epoll_create() 创建一个 epoll 对象和调用 socket() 创建一个服务端 socket
• 然后，调用 bind() 绑定端口和调用 listen() 监听该socket
• 然后，将调用epoll_ctl()将 listen socket 加入到 epoll ，同时注册 [连接事件] 处理函数。

初始化完成后，主线程就进入到一个事件循环函数，主要会做以下事情：

• 首先，先调用 处理发送队列函数，看发送队列里是否有任务，如果有发送任务，则通过 write 函数将客户端发送缓存区里的数据发送出去，如果这一轮数据没有发送完，就会注册写事件处理函数，等待 epoll_wait 发现可写后再处理
• 接着，调用 epoll_wait 函数等待事件的到来：
  • 如果是连接事件到来，则会调用 连接事件处理函数，该函数会做这些事情：调用 accept 获取已连接的 socket -> 调用 epoll_ctl 将已连接的 socket 加入到 epoll -> 注册 [读事件] 处理函数；
  • 如果是读事件到来，则会调用 读事件处理函数，该函数会做这些事情：调用 read 获取客户端发送的数据 -> 解析命令 -> 处理命令 -> 将客户端对象添加到发送队列 -> 将执行结果写到发送缓冲区等待发送；
  • 如果是写事件到来，则会调用 写事件处理函数，该函数会做这些事情：通过 write 函数将客户端发送缓冲区里的数据发送出去，如果这一轮数据没有发送完，就会继续注册写事件处理函数，等待 epoll_wait 发现可写后再处理。

---

Redis 采用单线程为什么还这么快？

主要有以下几个原因：

• Redis 的大部分操作都在内存中完成，并且采用了高效的数据结构，因此 Redis 瓶颈可能是机器的内存或者网络带宽，而并非 CPU ，既然 CPU不是瓶颈，那么自然就采用单线程的解决方案了。
• Redis 采用但线程模型可以避免多线程之间的竞争，省去了多线程切换带来的时间和性能上的开销，而且页不会导致死锁的问题
• Redis 采用了 I / O 多路复用机制 处理大量的客户端Socket 请求，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。简单来首，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 Socket 和已连接 Socket 。内核会一直监听这些 Socket 上的连接请求或数据请求。一旦有请求到达，就会交付给 Redis 线程处理，这就实现了一个 Redis 线程处理多个 IO流的效果。

---

为什么 6.0 之前使用的是单线程？

核心意思是：CPU并不是制约 Redis 性能表现的瓶颈所在，更多情况下是收到内存大小和网络I/O的限制，所以 Redis 核心网络模型使用单线程并没有什么问题，如果想要使用服务的多核CPU ，可以在一台服务器上启动多个节点或者采用分片式集群的方式。

除此之外：

使用单线程后，可维护性高，多线程模型虽然在某些方面表现优异，但是它却引入了程序执行顺序的不确定性，带来了并发读写的一系列问题，增加了系统复杂度、同时可能存在线程切换、甚至加锁解锁、死锁造成的性能损耗。

---

Redis 6.0 后为什么引入了多线程？

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的 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，所以不要误解 Redis 有多线程同时执行命令。

Redis官方表示Redis 6.0 版本引入的多线程 I/O 特性对性能提升至少是一倍以上。

Redis 6.0 版本支持的 I/O 多线程特性，默认情况下 I/O 多线程只针对发送响应数据，并不会以多线程的方式处理读请求。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 

同时 Redis.conf 配置文件中提供了 IO 多线程个数的配置项。

// 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 

关于线程数的设置，官方的建议是如果为 4 核的 CPU ，建议线程数设置为 2 或 3，如果为 8 核 CPU 建议将线程数设置为 6，线程数一定要小于机器核数，线程数并不是越大越好。

因此 ，Redis 6.0 版本后，Redis 在启动的时候，默认情况下会额外创建 6 个线程（这里的线程数不包括主线程）:

• Redis-server ：Redis 的主线程，主要负责执行命令
• bio_close_file、bio_aof_fsync、bio_lazy_free：三个后台线程，分别异步处理 关闭文件任务、AOF刷盘任务、释放内存任务；
• io_thd_1、io_thd_2、io_thd_3：三个 I/O 线程，io-threads 默认是 4 ，所以会启动 3 (4-1)个 I/O多线程，用来分担 Redis 网络 I/O的压力。