?這次主要分享 Redis 線(xiàn)程模型篇的面試題。

• Redis 是單線(xiàn)程嗎？
• Redis 單線(xiàn)程模式是怎樣的？
• Redis 采用單線(xiàn)程為什么還這么快？
• Redis 6.0 之前為什么使用單線(xiàn)程？
• Redis 6.0 之后為什么引入了多線(xiàn)程？

Redis 是單線(xiàn)程嗎？

Redis 單線(xiàn)程指的是「接收客戶(hù)端請(qǐng)求->解析請(qǐng)求 ->進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)等操作->發(fā)生數(shù)據(jù)給客戶(hù)端」這個(gè)過(guò)程是由一個(gè)線(xiàn)程（主線(xiàn)程）來(lái)完成的，這也是我們常說(shuō) Redis 是單線(xiàn)程的原因。

但是，Redis 程序并不是單線(xiàn)程的，Redis 在啟動(dòng)的時(shí)候，是會(huì)啟動(dòng)后臺(tái)線(xiàn)程（BIO）的：

• Redis 在 2.6 版本，會(huì)啟動(dòng) 2 個(gè)后臺(tái)線(xiàn)程，分別處理關(guān)閉文件、AOF 刷盤(pán)這兩個(gè)任務(wù)；
• Redis 在 4.0 版本之后，新增了一個(gè)新的后臺(tái)線(xiàn)程，用來(lái)異步釋放 Redis 內(nèi)存，也就是 lazyfree 線(xiàn)程。例如執(zhí)行 unlink key / flushdb async / flushall async 等命令，會(huì)把這些刪除操作交給后臺(tái)線(xiàn)程來(lái)執(zhí)行，好處是不會(huì)導(dǎo)致 Redis 主線(xiàn)程卡頓。因此，當(dāng)我們要?jiǎng)h除一個(gè)大 key 的時(shí)候，不要使用 del 命令刪除，因?yàn)?del 是在主線(xiàn)程處理的，這樣會(huì)導(dǎo)致 Redis 主線(xiàn)程卡頓，因此我們應(yīng)該使用 unlink 命令來(lái)異步刪除大key。

之所以 Redis 為「關(guān)閉文件、AOF 刷盤(pán)、釋放內(nèi)存」這些任務(wù)創(chuàng)建單獨(dú)的線(xiàn)程來(lái)處理，是因?yàn)檫@些任務(wù)的操作都是很耗時(shí)的，如果把這些任務(wù)都放在主線(xiàn)程來(lái)處理，那么 Redis 主線(xiàn)程就很容易發(fā)生阻塞，這樣就無(wú)法處理后續(xù)的請(qǐng)求了。

后臺(tái)線(xiàn)程相當(dāng)于一個(gè)消費(fèi)者，生產(chǎn)者把耗時(shí)任務(wù)丟到任務(wù)隊(duì)列中，消費(fèi)者（BIO）不停輪詢(xún)這個(gè)隊(duì)列，拿出任務(wù)就去執(zhí)行對(duì)應(yīng)的方法即可。

關(guān)閉文件、AOF 刷盤(pán)、釋放內(nèi)存這三個(gè)任務(wù)都有各自的任務(wù)隊(duì)列：

• BIO_CLOSE_FILE，關(guān)閉文件任務(wù)隊(duì)列：當(dāng)隊(duì)列有任務(wù)后，后臺(tái)線(xiàn)程會(huì)調(diào)用 close(fd) ，將文件關(guān)閉；
• BIO_AOF_FSYNC，AOF刷盤(pán)任務(wù)隊(duì)列：當(dāng) AOF 日志配置成 everysec 選項(xiàng)后，主線(xiàn)程會(huì)把 AOF 寫(xiě)日志操作封裝成一個(gè)任務(wù)，也放到隊(duì)列中。當(dāng)發(fā)現(xiàn)隊(duì)列有任務(wù)后，后臺(tái)線(xiàn)程會(huì)調(diào)用 fsync(fd)，將 AOF 文件刷盤(pán)，
• BIO_LAZY_FREE，lazy free 任務(wù)隊(duì)列：當(dāng)隊(duì)列有任務(wù)后，后臺(tái)線(xiàn)程會(huì) free(obj) 釋放對(duì)象 / free(dict) 刪除數(shù)據(jù)庫(kù)所有對(duì)象 / free(skiplist) 釋放跳表對(duì)象；

Redis 單線(xiàn)程模式是怎樣的？

Redis 6.0 版本之前的單線(xiàn)模式如下圖：

圖片

圖中的藍(lán)色部分是一個(gè)事件循環(huán)，是由主線(xiàn)程負(fù)責(zé)的，可以看到網(wǎng)絡(luò) I/O 和命令處理都是單線(xiàn)程。Redis 初始化的時(shí)候，會(huì)做下面這幾年事情：

• 首先，調(diào)用 epoll_create() 創(chuàng)建一個(gè) epoll 對(duì)象和調(diào)用 socket() 一個(gè)服務(wù)端 socket
• 然后，調(diào)用 bind() 綁定端口和調(diào)用 listen() 監(jiān)聽(tīng)該 socket；
• 然后，將調(diào)用 epoll_crt() 將 listen socket 加入到 epoll，同時(shí)注冊(cè)「連接事件」處理函數(shù)。

初始化完后，主線(xiàn)程就進(jìn)入到一個(gè)事件循環(huán)函數(shù)，主要會(huì)做以下事情：

首先，先調(diào)用處理發(fā)送隊(duì)列函數(shù)，看是發(fā)送隊(duì)列里是否有任務(wù)，如果有發(fā)送任務(wù)，則通過(guò) write 函數(shù)將客戶(hù)端發(fā)送緩存區(qū)里的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，如果這一輪數(shù)據(jù)沒(méi)有發(fā)生完，就會(huì)注冊(cè)寫(xiě)事件處理函數(shù)，等待 epoll_wait 發(fā)現(xiàn)可寫(xiě)后再處理 。

接著，調(diào)用 epoll_wait 函數(shù)等待事件的到來(lái)：

• 如果是連接事件到來(lái)，則會(huì)調(diào)用連接事件處理函數(shù)，該函數(shù)會(huì)做這些事情：調(diào)用 accpet 獲取已連接的 socket ->  調(diào)用 epoll_ctr 將已連接的 socket 加入到 epoll -> 注冊(cè)「讀事件」處理函數(shù)；
• 如果是讀事件到來(lái)，則會(huì)調(diào)用讀事件處理函數(shù)，該函數(shù)會(huì)做這些事情：調(diào)用 read 獲取客戶(hù)端發(fā)送的數(shù)據(jù) -> 解析命令 -> 處理命令 -> 將客戶(hù)端對(duì)象添加到發(fā)送隊(duì)列 -> 將執(zhí)行結(jié)果寫(xiě)到發(fā)送緩存區(qū)等待發(fā)送；
• 如果是寫(xiě)事件到來(lái)，則會(huì)調(diào)用寫(xiě)事件處理函數(shù)，該函數(shù)會(huì)做這些事情：通過(guò) write 函數(shù)將客戶(hù)端發(fā)送緩存區(qū)里的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，如果這一輪數(shù)據(jù)沒(méi)有發(fā)生完，就會(huì)繼續(xù)注冊(cè)寫(xiě)事件處理函數(shù)，等待 epoll_wait 發(fā)現(xiàn)可寫(xiě)后再處理 。

以上就是 Redis 單線(xiàn)模式的工作方式。?

Redis 采用單線(xiàn)程為什么還這么快？

官方使用基準(zhǔn)測(cè)試的結(jié)果是，單線(xiàn)程的 Redis 吞吐量可以達(dá)到 10W/每秒，如下圖所示：

之所以 Redis 采用單線(xiàn)程（網(wǎng)絡(luò) I/O 和執(zhí)行命令）那么快，有如下幾個(gè)原因：

• Redis 的大部分操作都在內(nèi)存中完成，并且采用了高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因此 Redis 瓶頸可能是機(jī)器的內(nèi)存或者網(wǎng)絡(luò)帶寬，而并非 CPU，既然 CPU 不是瓶頸，那么自然就采用單線(xiàn)程的解決方案了；
• Redis 采用單線(xiàn)程模型可以避免了多線(xiàn)程之間的競(jìng)爭(zhēng)，省去了多線(xiàn)程切換帶來(lái)的時(shí)間和性能上的開(kāi)銷(xiāo)，而且也不會(huì)導(dǎo)致死鎖問(wèn)題。
• Redis 采用了I/O 多路復(fù)用機(jī)制處理大量的客戶(hù)端 Socket 請(qǐng)求，IO 多路復(fù)用機(jī)制是指一個(gè)線(xiàn)程處理多個(gè) IO 流，就是我們經(jīng)常聽(tīng)到的 select/epoll 機(jī)制。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在 Redis 只運(yùn)行單線(xiàn)程的情況下，該機(jī)制允許內(nèi)核中，同時(shí)存在多個(gè)監(jiān)聽(tīng) Socket 和已連接 Socket。內(nèi)核會(huì)一直監(jiān)聽(tīng)這些 Socket 上的連接請(qǐng)求或數(shù)據(jù)請(qǐng)求。一旦有請(qǐng)求到達(dá)，就會(huì)交給 Redis 線(xiàn)程處理，這就實(shí)現(xiàn)了一個(gè) Redis 線(xiàn)程處理多個(gè) IO 流的效果。

Redis 6.0 之前為什么使用單線(xiàn)程？

我們都知道單線(xiàn)程的程序是無(wú)法利用服務(wù)器的多核 CPU 的，那么早期 Redis 版本的主要工作（網(wǎng)絡(luò) I/O 和執(zhí)行命令）為什么還要使用單線(xiàn)程呢？我們不妨先看一下Redis官方給出的FAQ。

核心意思是：CPU 并不是制約 Redis 性能表現(xiàn)的瓶頸所在，更多情況下是受到內(nèi)存大小和網(wǎng)絡(luò)I/O的限制，所以 Redis 核心網(wǎng)絡(luò)模型使用單線(xiàn)程并沒(méi)有什么問(wèn)題，如果你想要使用服務(wù)的多核CPU，可以在一臺(tái)服務(wù)器上啟動(dòng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)或者采用分片集群的方式。

除了上面的官方回答，選擇單線(xiàn)程的原因也有下面的考慮。

使用了單線(xiàn)程后，可維護(hù)性高，多線(xiàn)程模型雖然在某些方面表現(xiàn)優(yōu)異，但是它卻引入了程序執(zhí)行順序的不確定性，帶來(lái)了并發(fā)讀寫(xiě)的一系列問(wèn)題，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度、同時(shí)可能存在線(xiàn)程切換、甚至加鎖解鎖、死鎖造成的性能損耗。

Redis 6.0 之后為什么引入了多線(xiàn)程？

雖然 Redis 的主要工作（網(wǎng)絡(luò) I/O 和執(zhí)行命令）一直是單線(xiàn)程模型，但是在 Redis 6.0 版本之后，也采用了多個(gè) I/O 線(xiàn)程來(lái)處理網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，這是因?yàn)殡S著網(wǎng)絡(luò)硬件的性能提升，Redis 的性能瓶頸有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò) I/O 的處理上。

所以為了提高網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求處理的并行度，Redis 6.0 對(duì)于網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求采用多線(xiàn)程來(lái)處理。但是對(duì)于讀寫(xiě)命令，Redis 仍然使用單線(xiàn)程來(lái)處理，所以大家不要誤解 Redis 有多線(xiàn)程同時(shí)執(zhí)行命令。

Redis 官方表示，Redis 6.0 版本引入的多線(xiàn)程 I/O 特性對(duì)性能提升至少是一倍以上。

Redis 6.0 版本支持的 I/O  多線(xiàn)程特性，默認(rèn)是 I/O 多線(xiàn)程只處理寫(xiě)操作（write client socket），并不會(huì)以多線(xiàn)程的方式處理讀操作（read client socket）。要想開(kāi)啟多線(xiàn)程處理客戶(hù)端讀請(qǐng)求，就需要把  Redis.conf  配置文件中的 io-threads-do-reads 配置項(xiàng)設(shè)為 yes。

//讀請(qǐng)求也使用io多線(xiàn)程
io-threads-do-reads yes 

同時(shí)， Redis.conf  配置文件中提供了  IO 多線(xiàn)程個(gè)數(shù)的配置項(xiàng)。

// io-threads N，表示啟用 N-1 個(gè) I/O 多線(xiàn)程（主線(xiàn)程也算一個(gè) I/O 線(xiàn)程）
io-threads 4 

關(guān)于線(xiàn)程數(shù)的設(shè)置，官方的建議是如果為 4 核的 CPU，建議線(xiàn)程數(shù)設(shè)置為 2 或 3，如果為 8 核 CPU 建議線(xiàn)程數(shù)設(shè)置為 6，線(xiàn)程數(shù)一定要小于機(jī)器核數(shù)，線(xiàn)程數(shù)并不是越大越好。因此， Redis 6.0 版本之后，Redis 在啟動(dòng)的時(shí)候，默認(rèn)情況下會(huì)有 6 個(gè)線(xiàn)程：

• Redis-server ：Redis的主線(xiàn)程，主要負(fù)責(zé)執(zhí)行命令；
• bio_close_file、bio_aof_fsync、bio_lazy_free：三個(gè)后臺(tái)線(xiàn)程，分別異步處理關(guān)閉文件任務(wù)、AOF刷盤(pán)任務(wù)、釋放內(nèi)存任務(wù)；
• io_thd_1、io_thd_2、io_thd_3：三個(gè) I/O 線(xiàn)程，io-threads 默認(rèn)是 4 ，所以會(huì)啟動(dòng) 3（4-1）個(gè) I/O 多線(xiàn)程，用來(lái)分擔(dān) Redis 網(wǎng)絡(luò) I/O 的壓力。?