01_Redis单线程与多线程-Toy模板网

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01——Redis单线程与多线程

一、Redis是单线程还是多线程

在谈Redis的单线程或多线程时，需要根据版本来区分。

在redis 3.x之前，redis是单线程的
从redis 4.x开始，redis引入多线程。处理客户端请求时，使用单线程；在异步删除等操作时，使用多线程
在2020年发布的6.x以及2022年发布的7.x版本，使用全新的多线程来解决问题。

Redis重要里程碑：

Redis 2.6 支持lua脚本
Redis 3.0 支持集群
Redis 4.0 混合持久化、多线程异步删除
Redis 5.0 核心代码重构
Redis 6.0 多线程IO

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二、Redis为什么选择单线程

Redis单线程

定义：主要是指Redis的网络IO和键值对读写是由一个线程来完成的，Redis在处理客户端的请求时（包括获取（Socket读）、解析、执行、内容返回（Socket写）），都是由一个顺序串的主线程处理，这就是所谓的“单线程”。这也是Redis对外提供键值存储服务的主要流程。

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但是Redis的其他功能，比如持久化RBD、AOF、异步删除、集群数据同步等，其实是由额外的线程执行的。

Redis命令工作线程是单线程的，但是，对整个Redis来说，是多线程的。

Redis在3.x版本时，性能依旧很快的主要原因：

基于内存操作： Redis的所有数据都存在内存中，因此所有的运算都是内存级别的
数据结构简单： Redis的数据结构是专门设计的，而这些简单的数据结构的查找和操作时间复杂度都是O(1)
多路复用和非阻塞IO： Redis使用IO多路复用功能来监听多个socket连接客户端，这样就可以使用一个线程连接来处理多个请求，减少线程切换带来的开销，同时也避免了IO阻塞操作
避免上下文切换： 因为是单线程模型，因此就避免了不必要的线程上下文切换和多线程竞争，省去了多线程切换带来的时间和性能上的消耗

在多CPU时代，Redis如何使用多个CPU？

官网：Redis是基于内存操作的，因此Redis的瓶颈可能是机器的内存或网络带宽而非CPU。既然CPU不是瓶颈，那么自然采用单线程。但是在Redis4.0中开始支持多线程了，例如：后台删除、备份等功能。

三、为什么Redis加入了多线程特性

单线程的痛点： 正常情况下，使用del删除数据很快，但是删除一个非常大的key，则会导致Redis主线程卡顿。

解决方案：使用惰性删除，把删除数据的工作交给后台的其他线程来完成。

unlink key

flushdb async

flushall async

本质上来说，就是将耗时的操作从主线程剥离，交给BIO子线程来处理，减少主线程阻塞时间，从而减少因为耗时操作导致的性能和稳定性问题。

四、Redis多线程特性和IO多路复用

Redis性能影响因素：

CPU，官网文档说明，CPU不大可能是Redis的性能瓶颈
内存，在当下的开发环境中，内存越来越便宜，因此内存也不性能瓶颈
网络IO：因为Redis从网络IO处理到实际的读写命令处理，都是由单个线程完成的，所以网络IO可能会成为Redis的性能瓶颈。

单个线程处理网络请求的速度，有可能跟不上底层网络硬件的速度。为了应对这个问题，Redis6、7采用多个IO线程来处理网络请求，提高网络请求处理的并行度。

Redis只是使用多线程来处理网络IO操作，此操作可以提升实例的整体处理性能。执行命令操作还是单线程，这就不用开发多线程的互斥枷锁机制。因此，Redis线程模型的实现就很简单。

主线程和IO线程是怎么协作完成请求处理的：

阶段一：服务端和客户端建立Socket连接，并分配处理线程

首先，主线程负责接收建立连接的请求。当有客户端请求和实例建立Socket连接时，主线程会创建和客户端的连接，并把Socket放入全局等待队列中。紧接着，主线程通过轮训方法把Socket连接分配给IO线程。
阶段二：IO线程读取并解析请求

主线程一旦把Socket分配给IO线程，就会进入阻塞状态，等待IO线程完成客户端请求（读取和解析）。因为有多个IO线程在并行处理，所以，这个过程很快就可以完成。
阶段三：主线程执行请求操作

等到IO线程解析完请求，主线程还是会以单线程的方式执行这些命令操作。
IO线程回写Socket和主线程清空全局队列

当主线程执行完请求操作后，会把需要返回的结果写入缓冲区。然后，主线程阻塞等待，IO线程把结果写回到Socket中，并返回给客户端。和IO线程读取解析一样，IO线程回写Socket时，也是多个线程并发执行，所以速度很快。等到IO线程回写Socket完毕，主线程会清空全局队列，等待客户端的后续请求。

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Unix网络编程中的五种IO模型:

Blocking IO：阻塞IO
NoneBlocking IO：非阻塞IO
IO multiplexing：IO多路复用
1. Linux世界：一切皆文件
  
  文件描述符，简称FD、句柄
2. IO多路复用是什么
  
  一种同步的IO模型，实现一个线程监视多个文件句柄，一旦某个文件句柄就绪，就能通知到对应的应用程序进行相应的读写操作，没有文件句柄就绪时，就会阻塞应用程序，从而释放CPU资源。
  1. IO：网络IO，在操作系统层面，指数据在内核态和用户态之间的读写操作
  2. 多路：多个客户端连接（连接就是套接字描述符，即socket或者channel）
  3. 复用：复用一个或几个线程
  4. IO多路复用：也就是说一个或一组线程处理多个TCP连接，使用单进程就能够实现同时处理多个客户端的连接，无需创建或者维护过多的进程、线程
  5. 实现IO多路复用的模型有三种：select、poll、epoll
3. epoll
4. 总结
5. Redis问什么这么快
  
  IO多路复用+epoll函数，才是redis为什么这么快的直接原因，而不是单线程命令+redis安装在内存中。
signal driven IO：信号驱动IO
asynchronous IO：异步IO

五、Redis7是否默认开启多线程

如果在实际应用中，发现redis CPU开销不大但吞吐量却没有提升，可以考虑使用redis7的多线程机制，加速网络处理，进而提升实例的吞吐量。

Redis7讲所有的数据放在内存中，内存的响应时长大约是100纳秒，对于小的数据包，Redis服务器可以处理8w到10w的QPS，这也是Redis处理的极限，对于大多数业务来说，单线程Redis已经足够使用了。

在redis6、7中，多线程机制默认是关闭的，如果需要使用redis多线程功能，需要修改redis.conf配置文件：

# 启用多线程
io-thread-do-reads yes
# 设置线程个数。官方建议：4核cpu，线程数设置为2或3；8核cpu，设置为6。线程数一定要小于机器核数，线程数并不是越大越好
io-threads 6

六、总结

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