Redis精通系列——Pipeline（管道）

Posted 2021-10-02 李子捌

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《Redis精通系列》

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目录

1、简介

2、深究pipeline

3、benchmark压测pipeline

4、Jedis使用pipeline

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1、简介

Redis是一种基于客户端-服务端模型以及请求/响应的TCP服务。一次Redis客户端发起的请求，经过服务端的响应后，大致会经历如下的步骤：

1. 客户端发起一个（查询/插入）请求，并监听socket返回，通常情况都是阻塞模式等待Redis服务器的响应
2. 服务端处理命令，并且返回处理结果给客户端
3. 客户端接收到服务的返回结果，程序从阻塞代码处返回

Redis客户端和服务端之间通过网络连接进行数据传输，这个连接可以很快（loopback接口）或很慢（建立了一个多次跳转的网络连接）。无论网络延如何延时，数据包总是能从客户端到达服务器，并从服务器返回数据回复客户端，这个时间被称之为RTT(Round Trip Time - 往返时间)。我们可以很容易就意识到，Redis在连续请求服务端时，即使Redis每秒能处理100k请求，但也会因为网络传输花费大量时间，导致整体性能的下降。
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因此如果遇到大量的批处理，我们可以考虑使用Redis的pipeline（管道）。值得注意的是，管道技术并不是Redis特有的技术，管道技术往往需要客户端-服务器的共同配合，大部分工作任务其实是在客户端完成，很显然Redis支持管道技术，按照官网的意思，Redis的最低版本就考虑了管道技术的支持性设计。
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如下图，多个连续的incr指令，使用pipeline（管道）后，多个连续的incr指令只会花费一次网络来回开销，这个开销会随着n数值的增大，大幅减少网络io开销，从而提升整体服务的性能。

2、深究pipeline

在上述简介中，提到了管道技术优化的是网络传输的耗时时间，这里通过Redis客户端-服务端的一次完整的网络请求来回，深入探索pipeline的本质。

1. 客户端调用write将数据写入操作系统内核(kernel)为socket连接分配的发送缓冲区(send buffer)
2. 客户端操作系统内核将发送缓冲区(send buffer)的数据发送到网卡(NIC)
3. 网卡(NIC)将数据通过路由(route)将数据送到Redis服务器机器网卡(NIC)
4. 服务器操作系统内核(kernel)将网卡(NIC)接收的数据，写入内核为socket分配的接收缓冲区(recv buffer)
5. 服务器进程从接收缓冲区调用read读取数据，并进行数据逻辑处理
6. 数据处理完成之后，服务器进程调用write将响应数据写入操作系统内核为socket分配的发送缓冲区
7. 操作系统内核将发送缓冲区的数据发送到服务器网卡
8. 服务器网卡将响应数据通过路由发送到客户端网卡
9. 客户端网卡接收响应数据
10. 客户端操作系统内核读取网卡接收到的服务器响应数据，并写入操作系统为socket连接分配的介绍缓冲区
11. 客户端进程调用read从接收缓冲区中读取服务器响应数据
12. 一次完整网络请求来回过程结束

对于pipeline技术而言，就是将n * 12个步骤，合并成1 * 12，这样服务请求响应的总体时间将会大大的减少。

有个值得注意的点：
在上述网络请求来回中，可能出现我们经常说到的io阻塞：

1. 当write操作发生，并且发送缓冲区（send buffer）满时，就会导致write操作阻塞
2. 当read操作发生，并且接收缓冲区（recv buffer）满时，就会导致read操作阻塞

上述的这两个阻塞如果出现，将会导致整个请求时间变长，因此我们操作大批量指令的时候，比如10k个指令，我们可以合理的对指令分多次批量发送，这样可以减少出现阻塞的情况，也可以避免服务器响应一个过大的答复包，导致客户端内存负载过重。
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3、benchmark压测pipeline

使用Redis提供的benchmark对Redis进行性能测试，
如过你是Windows下的Redis，在安装目录下有个redis-benchmark.exe，进入cmd命令模式测试即可

如果你是在Linux下的redis，在安装目录的src目录下有个redis-benchmark

redis-benchmark的全部指令参数如下所示，我们这里测试pipeline，需要使用-P

指令名称	描述	默认值
-h	指定Redis服务器hostname	127.0.0.1
-p	指定Redis服务器端口	6379
-s	指定Redis服务器Server Socket
-a	指定Redis服务器密码
-c	指定客户端并发数	50
-n	指定总请求数	100000
-dbnum	指定Redis数据库	0
-k	1=keep alive 0=reconnect	1
-r	使用随机key，value 对相关指令进行压测
-P	使用管道（pipeline）	1（no pipeline）
-q	强制退出Redis，仅展示query/sec
--csv	使用CSV格式输出
-l	循环运行测试
-t	运行逗号分隔的测试列表
-I	Idle模式，仅打开N个idle连接并等待

通过普通方式测试set指令和pipeline方式测试set指令，可以看到Redis服务不同的QPS：

• 普通set方式，Redis QPS 大概在5.3万左右
• 当使用pipeline set时，随着管道内并行请求数量的增加，Redis QPS可以达到100万以上

 

4、Jedis使用pipeline

测试代码

package com.liziba.redis;

import redis.clients.jedis.Jedis;
import redis.clients.jedis.Pipeline;

import java.io.IOException;

/**
 * <p>
 * 测试pipeline
 * </p>
 *
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/9/14 22:43
 */
public class PipelineTest {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Jedis client = new Jedis("127.0.0.1", 6379);

        long startPipe = System.currentTimeMillis();
        Pipeline pipe = client.pipelined();
        pipe.multi();
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            pipe.set("pipe" + i, i + "" );
        }
        pipe.exec();
        pipe.close();
        long endPipe = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("pipeline set cost time : " + (endPipe - startPipe) + "ms");


        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            client.set("normal" + i, i + "");
        }
        System.out.println("normal set cost time : " + (System.currentTimeMillis() - endPipe)+ "ms");
    }

}

测试结果