為什么說(shuō)Redis是單線程的以及Redis為什么這么快！

一、前言

近乎所有與Java相關(guān)的面試都會(huì)問(wèn)到緩存的問(wèn)題，基礎(chǔ)一點(diǎn)的會(huì)問(wèn)到什么是“二八定律”、什么是“熱數(shù)據(jù)和冷數(shù)據(jù)”，復(fù)雜一點(diǎn)的會(huì)問(wèn)到緩存雪崩、緩存穿透、緩存預(yù)熱、緩存更新、緩存降級(jí)等問(wèn)題，這些看似不常見(jiàn)的概念，都與我們的緩存服務(wù)器相關(guān)，一般常用的緩存服務(wù)器有Redis、Memcached等，而筆者目前最常用的也只有Redis這一種。

如果你在以前面試的時(shí)候還沒(méi)有遇到過(guò)面試官問(wèn)你《為什么說(shuō)Redis是單線程的以及Redis為什么這么快！》，那么你看到這篇文章的時(shí)候，你應(yīng)該覺(jué)得是一件很幸運(yùn)的事情！如果你剛好是一位高逼格的面試官，你也可以拿這道題去面試對(duì)面“望穿秋水”般的小伙伴，測(cè)試一下他的掌握程度。

好啦！步入正題！我們先探討一下Redis是什么，Redis為什么這么快、然后在探討一下為什么Redis是單線程的？

二、Redis簡(jiǎn)介

Redis是一個(gè)開(kāi)源的內(nèi)存中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)，它可以用作：數(shù)據(jù)庫(kù)、緩存和消息中間件。

它支持多種類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如字符串（String），散列（Hash），列表（List），集合（Set），有序集合（Sorted Set或者是ZSet）與范圍查詢，Bitmaps，Hyperloglogs 和地理空間（Geospatial）索引半徑查詢。其中常見(jiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型有：String、List、Set、Hash、ZSet這5種。

Redis 內(nèi)置了復(fù)制（Replication），LUA腳本（Lua scripting）， LRU驅(qū)動(dòng)事件（LRU eviction），事務(wù)（Transactions） 和不同級(jí)別的磁盤(pán)持久化（Persistence），并通過(guò) Redis哨兵（Sentinel）和自動(dòng)分區(qū)（Cluster）提供高可用性（High Availability）。

Redis也提供了持久化的選項(xiàng)，這些選項(xiàng)可以讓用戶將自己的數(shù)據(jù)保存到磁盤(pán)上面進(jìn)行存儲(chǔ)。根據(jù)實(shí)際情況，可以每隔一定時(shí)間將數(shù)據(jù)集導(dǎo)出到磁盤(pán)（快照），或者追加到命令日志中（AOF只追加文件），他會(huì)在執(zhí)行寫(xiě)命令時(shí)，將被執(zhí)行的寫(xiě)命令復(fù)制到硬盤(pán)里面。您也可以關(guān)閉持久化功能，將Redis作為一個(gè)高效的網(wǎng)絡(luò)的緩存數(shù)據(jù)功能使用。

Redis不使用表，他的數(shù)據(jù)庫(kù)不會(huì)預(yù)定義或者強(qiáng)制去要求用戶對(duì)Redis存儲(chǔ)的不同數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

數(shù)據(jù)庫(kù)的工作模式按存儲(chǔ)方式可分為：硬盤(pán)數(shù)據(jù)庫(kù)和內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)。Redis 將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在內(nèi)存里面，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的時(shí)候都不會(huì)受到硬盤(pán) I/O 速度的限制，所以速度極快。

（1）硬盤(pán)數(shù)據(jù)庫(kù)的工作模式：

（2）內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)的工作模式：

看完上述的描述，對(duì)于一些常見(jiàn)的Redis相關(guān)的面試題，是否有所認(rèn)識(shí)了，例如：什么是Redis、Redis常見(jiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型有哪些、Redis是如何進(jìn)行持久化的等。

三、Redis到底有多快

Redis采用的是基于內(nèi)存的采用的是單進(jìn)程單線程模型的 KV 數(shù)據(jù)庫(kù)，由C語(yǔ)言編寫(xiě)，官方提供的數(shù)據(jù)是可以達(dá)到100000+的QPS（每秒內(nèi)查詢次數(shù)）。這個(gè)數(shù)據(jù)不比采用單進(jìn)程多線程的同樣基于內(nèi)存的 KV 數(shù)據(jù)庫(kù) Memcached 差！

橫軸是連接數(shù)，縱軸是QPS。此時(shí)，這張圖反映了一個(gè)數(shù)量級(jí)，希望大家在面試的時(shí)候可以正確的描述出來(lái)，不要問(wèn)你的時(shí)候，你回答的數(shù)量級(jí)相差甚遠(yuǎn)！

四、Redis為什么這么快

1、完全基于內(nèi)存，絕大部分請(qǐng)求是純粹的內(nèi)存操作，非?？焖?。數(shù)據(jù)存在內(nèi)存中，類似于HashMap，HashMap的優(yōu)勢(shì)就是查找和操作的時(shí)間復(fù)雜度都是O(1)；

2、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)數(shù)據(jù)操作也簡(jiǎn)單，Redis中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是專門(mén)進(jìn)行設(shè)計(jì)的；

3、采用單線程，避免了不必要的上下文切換和競(jìng)爭(zhēng)條件，也不存在多進(jìn)程或者多線程導(dǎo)致的切換而消耗 CPU，不用去考慮各種鎖的問(wèn)題，不存在加鎖釋放鎖操作，沒(méi)有因?yàn)榭赡艹霈F(xiàn)死鎖而導(dǎo)致的性能消耗；

4、使用多路I/O復(fù)用模型，非阻塞IO；

5、使用底層模型不同，它們之間底層實(shí)現(xiàn)方式以及與客戶端之間通信的應(yīng)用協(xié)議不一樣，Redis直接自己構(gòu)建了VM 機(jī)制 ，因?yàn)橐话愕南到y(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)的話，會(huì)浪費(fèi)一定的時(shí)間去移動(dòng)和請(qǐng)求；

以上幾點(diǎn)都比較好理解，下邊我們針對(duì)多路 I/O 復(fù)用模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的探討：

多路 I/O 復(fù)用模型

多路I/O復(fù)用模型是利用 select、poll、epoll 可以同時(shí)監(jiān)察多個(gè)流的 I/O 事件的能力，在空閑的時(shí)候，會(huì)把當(dāng)前線程阻塞掉，當(dāng)有一個(gè)或多個(gè)流有 I/O 事件時(shí)，就從阻塞態(tài)中喚醒，于是程序就會(huì)輪詢一遍所有的流（epoll 是只輪詢那些真正發(fā)出了事件的流），并且只依次順序的處理就緒的流，這種做法就避免了大量的無(wú)用操作。

這里“多路”指的是多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接，“復(fù)用”指的是復(fù)用同一個(gè)線程。采用多路 I/O 復(fù)用技術(shù)可以讓單個(gè)線程高效的處理多個(gè)連接請(qǐng)求（盡量減少網(wǎng)絡(luò) IO 的時(shí)間消耗），且 Redis 在內(nèi)存中操作數(shù)據(jù)的速度非?？?，也就是說(shuō)內(nèi)存內(nèi)的操作不會(huì)成為影響Redis性能的瓶頸，主要由以上幾點(diǎn)造就了 Redis 具有很高的吞吐量。

五、那么為什么Redis是單線程的

我們首先要明白，上邊的種種分析，都是為了營(yíng)造一個(gè)Redis很快的氛圍！官方FAQ表示，因?yàn)镽edis是基于內(nèi)存的操作，CPU不是Redis的瓶頸，Redis的瓶頸最有可能是機(jī)器內(nèi)存的大小或者網(wǎng)絡(luò)帶寬。既然單線程容易實(shí)現(xiàn)，而且CPU不會(huì)成為瓶頸，那就順理成章地采用單線程的方案了（畢竟采用多線程會(huì)有很多麻煩！）。

看到這里，你可能會(huì)氣哭！本以為會(huì)有什么重大的技術(shù)要點(diǎn)才使得Redis使用單線程就可以這么快，沒(méi)想到就是一句官方看似糊弄我們的回答！但是，我們已經(jīng)可以很清楚的解釋了為什么Redis這么快，并且正是由于在單線程模式的情況下已經(jīng)很快了，就沒(méi)有必要在使用多線程了！

但是，我們使用單線程的方式是無(wú)法發(fā)揮多核CPU 性能，不過(guò)我們可以通過(guò)在單機(jī)開(kāi)多個(gè)Redis 實(shí)例來(lái)完善！

警告1：這里我們一直在強(qiáng)調(diào)的單線程，只是在處理我們的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的時(shí)候只有一個(gè)線程來(lái)處理，一個(gè)正式的Redis Server運(yùn)行的時(shí)候肯定是不止一個(gè)線程的，這里需要大家明確的注意一下！例如Redis進(jìn)行持久化的時(shí)候會(huì)以子進(jìn)程或者子線程的方式執(zhí)行（具體是子線程還是子進(jìn)程待讀者深入研究）；例如我在測(cè)試服務(wù)器上查看Redis進(jìn)程，然后找到該進(jìn)程下的線程：

ps命令的“-T”參數(shù)表示顯示線程（Show threads, possibly with SPID column.）“SID”欄表示線程ID，而“CMD”欄則顯示了線程名稱。

警告2：在上圖中FAQ中的最后一段，表述了從Redis 4.0版本開(kāi)始會(huì)支持多線程的方式，但是，只是在某一些操作上進(jìn)行多線程的操作！所以該篇文章在以后的版本中是否還是單線程的方式需要讀者考證！

六、注意點(diǎn)

1、我們知道Redis是用”單線程-多路復(fù)用IO模型”來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能的內(nèi)存數(shù)據(jù)服務(wù)的，這種機(jī)制避免了使用鎖，但是同時(shí)這種機(jī)制在進(jìn)行sunion之類的比較耗時(shí)的命令時(shí)會(huì)使redis的并發(fā)下降。因?yàn)槭菃我痪€程，所以同一時(shí)刻只有一個(gè)操作在進(jìn)行，所以，耗時(shí)的命令會(huì)導(dǎo)致并發(fā)的下降，不只是讀并發(fā)，寫(xiě)并發(fā)也會(huì)下降。而單一線程也只能用到一個(gè)CPU核心，所以可以在同一個(gè)多核的服務(wù)器中，可以啟動(dòng)多個(gè)實(shí)例，組成master-master或者master-slave的形式，耗時(shí)的讀命令可以完全在slave進(jìn)行。

需要改的redis.conf項(xiàng)：

pidfile /var/run/redis/redis_6377.pid  #pidfile要加上端口號(hào)
port 6377  #這個(gè)是必須改的
logfile /var/log/redis/redis_6377.log #logfile的名稱也加上端口號(hào)
dbfilename dump_6377.rdb  #rdbfile也加上端口號(hào)

2、“我們不能任由操作系統(tǒng)負(fù)載均衡，因?yàn)槲覀冏约焊私庾约旱某绦?，所以，我們可以手?dòng)地為其分配CPU核，而不會(huì)過(guò)多地占用CPU，或是讓我們關(guān)鍵進(jìn)程和一堆別的進(jìn)程擠在一起?！薄?
CPU 是一個(gè)重要的影響因素，由于是單線程模型，Redis 更喜歡大緩存快速 CPU， 而不是多核

在多核 CPU 服務(wù)器上面，Redis 的性能還依賴NUMA 配置和處理器綁定位置。最明顯的影響是 redis-benchmark 會(huì)隨機(jī)使用CPU內(nèi)核。為了獲得精準(zhǔn)的結(jié)果，需要使用固定處理器工具（在 Linux 上可以使用 taskset）。最有效的辦法是將客戶端和服務(wù)端分離到兩個(gè)不同的 CPU 來(lái)高校使用三級(jí)緩存。

七、擴(kuò)展

以下也是你應(yīng)該知道的幾種模型，祝你的面試一臂之力！

1、單進(jìn)程多線程模型：MySQL、Memcached、Oracle（Windows版本）；

2、多進(jìn)程模型：Oracle（Linux版本）；

3、Nginx有兩類進(jìn)程，一類稱為Master進(jìn)程(相當(dāng)于管理進(jìn)程)，另一類稱為Worker進(jìn)程（實(shí)際工作進(jìn)程）。啟動(dòng)方式有兩種：

• 單進(jìn)程啟動(dòng)：此時(shí)系統(tǒng)中僅有一個(gè)進(jìn)程，該進(jìn)程既充當(dāng)Master進(jìn)程的角色，也充當(dāng)Worker進(jìn)程的角色。

• 多進(jìn)程啟動(dòng)：此時(shí)系統(tǒng)有且僅有一個(gè)Master進(jìn)程，至少有一個(gè)Worker進(jìn)程工作。

Master進(jìn)程主要進(jìn)行一些全局性的初始化工作和管理Worker的工作；事件處理是在Worker中進(jìn)行的。

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