追求性能极致：Redis6.0的多线程模型

背景

Redis 的网络 IO 以及键值对指令读写是由单个线程来执行的，避免了不必要的contextswitch和资源竞争，对于性能提升有很大的帮助。
而到了2020年的5月份，Redis官方 推出了 令人瞩目的 Redis 6.0，提出很多新特性，包含 多线程网络IO 的概念，如下：

这其中比较引人注意的就是 Threaded I/O 和 Client side caching 这两项了。
这时候我们不免疑问，为什么6.0之前是单线程模式的，是基于什么考虑。而现在为什么又要优化成 多线程网络IO模式，主要解决了哪些问题 ，带来了那些变化？
这一篇咱们就详细就来聊下这个 Threaded I/O。

6.0之前的单线程模式

了解单线程模式之前，大家可以先回顾一下Redis系列第一篇 Redis系列1：深刻理解高性能Redis的本质 。
就会明白，Redis所谓的单线程并不是所有工作都是只有一个线程在执行，而是指Redis的网络IO和键值对读写是由一个线程来完成的，Redis在处理客户端的请求时包括获取 (socket 读)、解析、执行、内容返回 (socket 写) 等都由一个顺序串行的主线程处理。
这就是所谓的“单线程”。这也是Redis对外提供键值存储服务的主要流程。
由于Redis在处理命令的时候是单线程作业的，所以会有一个Socket队列，每一个到达的服务端命令来了之后都不会马上被执行，而是进入队列，然后被线程的事件分发器逐个执行。如下图：

至于Redis的其他功能， 比如持久化、异步删除、集群数据同步等等，其实是由额外的线程执行的。 可以这么说，Redis工作线程是单线程的。但是在4.0之后，对于整个Redis服务来说，还是多线程运作的。

那么问题来了，6.0之前为什么要使用单线程，通过 Redis官方的文档 ，我们看到他们有给出了说明：

• 在使用 Redis 时，Redis 主要受限是在内存和网络上，CPU 几乎没有性能瓶颈的问题。
• 以Linux 系统为例子，在Linux系统上Redis 通过 pipelining 可以处理 100w 个请求每秒，而应用程序的计算复杂度主要是 O(N) 或 O(log(N)) ，不会消耗太多 CPU。
• 使用了单线程后，提高了可维护性。多线程模型在某些方面表现优异，却增加了程序执行顺序的不确定性，并且带来了并发读写的一系列问题，增加了系统复杂度。同时因为线程切换、加解锁，甚至死锁，造成一定的性能损耗。
• Redis 通过 AE 事件模型以及 IO 多路复用等技术，拥有超高的处理性能，因此没有使用多线程的必要。

可以看出，Redis对CPU计算力的要求并不迫切，相反单线程机制让 Redis 内部实现的复杂度大大降低，同时降低了因为上下文切换和资源竞争造成的性能损耗。那既然单线程这么好用，为什么要引入多线程模式。

6.0之后的多线程主要解决什么问题

我们知道， 近年来底层网络硬件性能越来越好，Redis 的性能瓶颈逐渐体现在网络 I/O 的读写上，单个线程处理网络 I/O 读写的速度跟不上底层网络硬件执行的速度。
从下图我们可以看到，Redis 在处理网络数据时，调用 epoll 的过程是阻塞的，这个过程会阻塞线程。如果并发量很高，达到万级别的 QPS，就会形成瓶颈，影响整体吞吐能力。

既然读写网络的 read/write 系统调用占用了Redis 执行期间大部分CPU 时间，那么要想真正做到提速，必须改善网络IO性能。我们可以从这两个方面来优化：

• 提高网络 IO 性能，典型实现方式比如使用 DPDK 来替代内核网络栈的方式
• 使用多线程，这样可以充分利用多核CPU，同类实现案例比如 Memcached。

协议栈优化的这种方式跟 Redis 关系不大，所以最便捷高效的方式就是支持多线程。总结起来，redis支持多线程就是以下两个原因：

• 可以充分利用服务器CPU的多核资源，而主线程明显只能利用一个
• 多线程任务可以分摊 Redis 同步 IO 读写负荷，降低耗时

6.0版本优化之后，主线程和多线程网络IO的执行流程如下：

具体步骤如下：

• 主线程建立连接，并接受数据，并将获取的 socket 数据放入等待队列；
• 通过轮询的方式将 socket读取出来并分配给 IO 线程；
• 之后主线程保持阻塞，一直等到 IO 线程完成 socket 读取和解析；
• I/O 线程读取和解析完成之后，返回给主线程 ，主线程开始执行 Redis 命令；
• 执行完Redis命令后，主线程阻塞，直到IO 线程完成 结果回写到socket 的工作；
• 主线程清空已完成的队列，等待客户端新的请求。

本质上是将主线程 IO 读写的这个操作 独立出来，单独交给一个I/O线程组处理。
这样多个 socket 读写可以并行执行，整体效率也就提高了。同时注意 Redis 命令还是主线程串行执行。

开启多线程的方式

Redis6.0的多线程默认是禁用的，只使用主线程。如需开启需要修改redis.conf配置文件：

# io-threads-do-reads no
io-threads-do-reads yes

开启多线程后，还需要设置线程数，否则是不生效的。同样修改redis.conf配置文件。
关于线程数的设置，官方有一个建议：4 核的机器建议设置为 2 或 3 个线程，8核的建议设置为 6 个线程，线程数一定要小于机器核数。
线程数并不是越大越好，官方认为超过了 8 个就很难继续提效了，没什么意义。

# 假设你的CPU核数是8核，尽量配置成 5~6
io-threads 5

总结

• 6.0之前，Redis所谓的单线程并不是所有工作都是只有一个线程在执行，而是指Redis的网络IO和读写是由一个线程来完成的。其他诸如持久化、异步删除、集群数据同步等，其实是由额外的线程执行的。
• 互联网飞速发展，开发人员面临的线上流量场景越来越大，再使用单线程模式会导致在网络 I/O 浪费太多时间，极大的降低吞吐量，而普遍多核的cpu又没有得到有效的利用。
• 使用多线程，这样可以充分利用多核CPU，提高网络的 read/write 效率。
• 配置 Threaded I/O 多线程模式的时候，线程数一定要小于机器核数，否着意义不大。