Redis 是单线程的正确理解
一、为什么Redis是单线程的
1️⃣官方答案
因为 Redis 是基于内存的操作,CPU不是 Redis 的瓶颈。Redis 的瓶颈最有可能是机器内存的大小或者网络带宽。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。
2️⃣性能指标
关于 Redis 的性能,官方网站也有,普通笔记本轻松处理每秒几十万的请求。
3️⃣详细原因
- 不需要各种锁的性能消耗
Redis 的数据结构并不全是简单的 Key-Value,还有 list,hash 等复杂的结构。这些结构有可能会进行很细粒度的操作,比如在很长的列表后面添加一个元素,在 hash 当中添加或者删除一个对象。这些操作可能就需要加非常多的锁,导致的结果是同步开销大大增加。
总之,在单线程的情况下,代码更清晰,处理逻辑更简单,不用去考虑各种锁的问题,不存在加锁释放锁操作,没有因为可能出现死锁而导致的性能消耗,不存在多进程或者多线程导致的切换而消耗 CPU。 - 单线程多进程的集群方案
单线程的威力实际上非常强大,每核效率也非常高。多线程自然是可以比单线程有更高的性能上限,但是在今天的计算环境中,即使是单机多线程的上限也往往不能满足需要了,需要进一步摸索的是多服务器集群化的方案,这些方案中多线程的技术照样是用不上的。所以单线程、多进程的集群不失为一个时髦的解决方案。
- CPU 消耗
采用单线程,避免了不必要的上下文切换和竞争条件,也不存在多进程或者多线程导致的切换而消耗 CPU。但是如果 CPU 成为 Redis 瓶颈,或者不想让服务器其他 CPU 核闲置,那怎么办?
可以考虑多起几个 Redis 进程,Redis 是 key-value 数据库,不是关系数据库,数据之间没有约束。只要客户端分清哪些 key 放在哪个 Redis 进程上就可以了。
二、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,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。文件事件处理器的构成:
注意:其中 I/O 多路复用程序通过队列向文件事件分派器传送 socket。
I/O多路复用技术
三、单线程的 Redis 为何高并发快
Redis 利用队列技术将并发访问变为串行访问,消除了传统数据库串行控制的开销。
1️⃣Redis 的高并发和快速原因
- Redis 是基于内存的,内存的读写速度非常快。
- Redis 是单线程的,避免了不必要的上下文切换和竞争条件,也不存在多进程或者多线程导致的切换而消耗 CPU,不用去考虑各种锁的问题,不存在加锁释放锁操作,没有因为可能出现死锁而导致的性能消耗。
- Redis 使用多路复用技术,可以处理并发的连接。非阻塞 IO 部实现采用 epoll,采用了 epoll+自己实现的简单的事件框架。epoll 中的读、写、关闭、连接都转化成了事件,然后利用 epoll 的多路复用特性,绝不在 IO 上浪费一点时间。
- 数据结构简单,对数据操作也简单,Redis 中的数据结构是专门进行设计的。
- Redis 直接自己构建了 VM 机制 ,因为一般的系统调用系统函数的话,会浪费一定的时间去移动和请求。
2️⃣单进程单线程弊端
无法发挥多核 CPU 性能,不过可以通过在单机开多个 Redis 实例来完善。
3️⃣Redis高并发总结
- Redis 是纯内存数据库,一般都是简单的存取操作,线程占用的时间很多,时间的花费主要集中在 IO 上,所以读取速度快。
- Redis 使用的是非阻塞 IO。IO 多路复用,使用了单线程来轮询描述符,将数据库的开、关、读、写都转换成了事件,减少了线程切换时上下文的切换和竞争。
- Redis 采用了单线程的模型,保证了每个操作的原子性,也减少了线程的上下文切换和竞争。
- Redis 全程使用 hash 结构,读取速度快,还有一些特殊的数据结构,对数据存储进行了优化,如压缩表,对短数据进行压缩存储,再如,跳表,使用有序的数据结构加快读取的速度。
- Redis 采用自己实现的事件分离器,效率比较高,内部采用非阻塞的执行方式,吞吐能力比较大。
四、常见疑问解答
1️⃣为什么不采用多进程或多线程处理?
①多线程处理可能涉及到锁。
②多线程处理会涉及到线程切换而消耗 CPU。
2️⃣单线程处理的缺点?
①耗时的命令会导致并发的下降,不只是读并发,写并发也会下降。
②无法发挥多核 CPU 性能,不过可以通过在单机开多个 Redis 实例来完善。
3️⃣Redis 不存在线程安全问题
Redis 采用了线程封闭的方式,把任务封闭在一个线程,自然避免了线程安全问题,不过对于需要依赖多个 Redis 操作(即多个 Redis 操作命令)的复合操作来说,依然需要锁,而且有可能是分布式锁。
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