单线程的 Redis 为什么这么快？

Posted 2023-03-16

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了单线程的 Redis 为什么这么快？相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

前言

Redis是基于内存运行的高性能 K-V 数据库，官方提供的测试报告是单机可以支持约10w/s的QPS。

但是，在设计上，Redis 采用单线程架构。

为什么单线程设计依然会有这么高的性能？如果利用多线程并发处理请求不是更好吗？

在本文中，让我们深入探讨为什么 Redis 只有单线程架构，依然如此之快，主要从下面4个方面讲解。

• 数据存储在内存中
• 高效的数据结构
• 单线程架构
• 非阻塞IO

让我们一一剖析。

1、数据存储在内存中

Redis 完全基于内存，数据存在内存中，绝大部分请求是纯粹的内存操作，非常快速，跟传统的磁盘文件数据存储相比，避免了通过磁盘IO读取到内存这部分的开销。

下面图片是各存储系统的延迟比较，由此可以看出不同存储介质的速度差异。

单线程的

各存储系统的延迟比较

2、高效的数据结构

Redis 一共有 5 种数据类型，String、List、Hash、Set、SortedSet。

不同的数据类型底层使用了一种或者多种数据结构来支撑，目的就是为了追求更快的速度。

以下为每种数据类型底层使用到的数据结构：

单线程的

每种数据类型底层的数据结构

各种数据结构的优点可以自己搜索一下。

3、单线程架构

采用单线程，省去了很多上下文切换的时间以及CPU消耗，不存在竞争条件，不用去考虑各种锁的问题，不存在加锁释放锁操作，也不会出现死锁而导致的性能消耗，且能够使用各种“线程不安全”命令，例如 Lpush。

注意这里我们强调的单线程，指的是网络IO和键值对读写 (文件事件分派器) 使用一个线程来处理，即一个线程处理所有网络请求，但Redis的其他功能，比如持久化、异步删除、集群数据同步等等，实际是由额外的线程执行的。

那为什么使用单线程呢？官方答案是：因为CPU不是Redis的瓶颈，Redis的瓶颈最有可能是机器内存或者网络带宽。既然单线程容易实现，而且CPU不会成为瓶颈，那就顺理成章地采用单线程的方案了。

虽然多线程架构允许应用程序通过上下文切换并发处理任务，但对 Redis 的性能提升微乎其微，因为大多数线程最终会在网络 I/O 中被阻塞。

同时要注意的是，正因为是单线程，如果某个命令执行过长（如hgetall命令），会造成阻塞。Redis是面向快速执行场景的内存数据库，所以要慎用如lrange和smembers、hgetall等命令。

4、IO多路复用

使用基于网络 I/O多路复用机制(非阻塞IO)的线程模型，可以处理并发的链接，缓解网络 I/O 速度慢的问题。

多路I/O复用模型是利用 select、poll、epoll 可以同时监察多个流的 I/O 事件的能力，在空闲的时候，会把当前线程阻塞掉，当有一个或多个流有 I/O 事件时，就从阻塞态中唤醒，然后程序就会轮询一遍所有的流（epoll 是只轮询那些真正发出了事件的流），并且依次顺序的处理就绪的流，这种做法就避免了大量的无用操作。
这里“多路”指的是多个网络连接，“复用”指的是复用同一个线程。采用多路 I/O 复用技术可以让单个线程高效的处理多个客户端的网络IO连接请求（尽量减少网络 IO 的时间消耗）

redis的网络事件处理器是基于Reactor模式，又叫做文件事件处理器。

文件事件处理器使用I/O多路复用来同时监听多个套接字，并根据套接字执行的任务关联到不同的事件处理器。

文件事件以单线程方式运行，但通过使用I/O多路复用程序来监听多个套接字，文件事件处理器实现了高性能的网络通信模型。

Redis 在处理客户端的请求时，包括接收(socket读)、解析、执行、发送(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。

文件事件处理器的结构包含4个部分，线程模型如下图：

单线程的

高性能 IO 多路复用

多个 Socket 可能会产生不同的操作，每个操作对应不同的文件事件，但是IO多路复用程序会监听多个Socket，将Socket产生的事件放入队列中排队，事件分派器每次从队列中取出一个事件，把该事件交给对应的事件处理器进行处理。

单线程的

redis单线程模型

Redis客户端对服务端的每次调用都经历了发送命令，执行命令，返回结果三个过程。其中执行命令阶段，由于Redis是单线程来处理命令的，所有每一条到达服务端的命令不会立刻执行，所有的命令都会进入一个队列中，然后逐个被执行。并且多个客户端发送的命令的执行顺序是不确定的。但是可以确定的是不会有两条命令被同时执行，不会产生并发问题，这就是Redis的单线程基本模型。

Redis6.0 的多线程说明

1、Redis6.0 之前为什么一直不使用多线程？

Redis使用单线程的可维护性高。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。

2、Redis6.0 为什么要引入多线程呢？

因为Redis的瓶颈不在内存，而是在网络I/O模块带来CPU的耗时，所以Redis6.0的多线程是用来处理网络I/O这部分，充分利用CPU资源，减少网络I/O阻塞带来的性能损耗。

3、Redis6.0 如何开启多线程？

默认情况下Redis是关闭多线程的，可以在conf文件进行配置开启：

io-threads-do-reads yes
io-threads 线程数

官方建议的线程数设置：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，尽量不超过8个。

4、多线程模式下，是否存在线程并发安全问题？

如图，一次redis请求，要建立连接，然后获取操作的命令，然后执行命令，最后将响应的结果写到socket上。

单线程的

在redis的多线程模式下，接收，发送和解析命令可以配置成多线程执行的，因为它毕竟是我们定位到的主要耗时点，但是命令的执行，也就是内存操作，依然是单线程运行的。

所以，Redis 的多线程部分只是用来处理网络数据的读写和协议解析，执行命令仍然是单线程顺序执行，也就不存在并发安全问题。

Redis 单线程为什么这么快？看完秒懂了...

Redis 单线程的正确理解

很多开发者对Redis的单线程和I/O多路复用技术并不是很了解，所以我用简单易懂的语言让大家了解下Redis单线程和I/O多路复用技术的原理，对学好和运用好Redis打下基础。

一、Redis的单线程理解

Redis客户端对服务端的每次调用都经历了发送命令，执行命令，返回结果三个过程。其中执行命令阶段，由于Redis是单线程来处理命令的，所有到达服务端的命令都不会立刻执行，所有的命令都会进入一个队列中，然后逐个执行，并且多个客户端发送的命令的执行顺序是不确定的，但是可以确定的是不会有两条命令被同时执行，不会产生并发问题，这就是Redis的单线程基本模型。

Redis服务器通过socket（套接字）与客户端或其他Redis服务器进行连接，而文件事件就是服务器对socket操作的抽象。服务器与客户端或其他服务器的通信会产生相应的文件事件，而服务器通过监听并处理这些事件来完成一系列网络通信操作。

Redis基于Reactor模式开发了自己的网络事件处理器——文件事件处理器，文件事件处理器使用I/O多路复用程序来同时监听多个socket（I/O多路复用技术下面有介绍），并根据socket目前执行的任务来为socket关联不同的事件处理器。当被监听的socket准备好执行连接应答、读取、写入、关闭等操作时，与操作相对应的文件事件就会产生，这时文件事件处理器就会调用socket之前已关联好的事件处理器来处理这些事件。

二、I/O多路复用技术

关于I/O多路复用(又被称为“事件驱动”)，首先要理解的是，操作系统为你提供了一个功能，当你的某个socket可读或者可写的时候，它可以给你一个通知。这样当配合非阻塞的socket使用时，只有当系统通知我哪个描述符可读了，我才去执行read操作，可以保证每次read都能读到有效数据而不做纯返回-1和EAGAIN的无用功，写操作类似。

操作系统的这个功能是通过select/poll/epoll/kqueue之类的系统调用函数来实现，这些函数都可以同时监视多个描述符的读写就绪状况，这样，多个描述符的I/O操作都能在一个线程内并发交替地顺序完成，这就叫I/O多路复用，这里的“多路”指的是多个网络连接，“复用”指的是复用同一个Redis处理线程。

采用多路 I/O 复用技术可以让单个线程高效的处理多个连接请求（尽量减少网络 I/O 的时间消耗），且 Redis 在内存中操作数据的速度非常快，也就是说内存内的操作不会成为影响Redis性能的瓶颈，所有 Redis 具有很高的吞吐量。