Redis 6.0 新特性-多線程連環(huán)13問!
Redis 6.0 來了
在全國一片祥和IT民工歡度五一節(jié)假日的時(shí)候，Redis 6.0不聲不響地于5 月 2 日正式發(fā)布了，嚇得我趕緊從床上爬起來，學(xué)無止境！學(xué)無止境！
對于6.0版本，Redis之父Antirez在RC1版本發(fā)布時(shí)（2019-12-19）在他的博客上連續(xù)用了幾個(gè)“EST”詞語來評價(jià)：?
the most “enterprise” Redis version to date // 最”企業(yè)級”的the largest release of Redis ever as far as I can tell // 最大的the one where the biggest amount of people participated // 參與人數(shù)最多的??這個(gè)版本提供了諸多令人心動(dòng)的新特性及功能改進(jìn)，比如新網(wǎng)絡(luò)協(xié)議RESP3，新的集群代理，ACL等，其中關(guān)注度最高的應(yīng)該是“多線程”了，筆者也第一時(shí)間體驗(yàn)了一下，帶著眾多疑問，我們來一起開始“Redis 6.0 新特性-多線程連環(huán)13問”。
Redis 6.0 多線程連環(huán)13問
1.Redis6.0之前的版本真的是單線程嗎？Redis在處理客戶端的請求時(shí)，包括獲取 (socket 讀)、解析、執(zhí)行、內(nèi)容返回 (socket 寫) 等都由一個(gè)順序串行的主線程處理，這就是所謂的“單線程”。但如果嚴(yán)格來講從Redis4.0之后并不是單線程，除了主線程外，它也有后臺(tái)線程在處理一些較為緩慢的操作，例如清理臟數(shù)據(jù)、無用連接的釋放、大 key 的刪除等等。
2.Redis6.0之前為什么一直不使用多線程？官方曾做過類似問題的回復(fù)：使用Redis時(shí)，幾乎不存在CPU成為瓶頸的情況， Redis主要受限于內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)。例如在一個(gè)普通的Linux系統(tǒng)上，Redis通過使用pipelining每秒可以處理100萬個(gè)請求，所以如果應(yīng)用程序主要使用O(N)或O(log(N))的命令，它幾乎不會(huì)占用太多CPU。
使用了單線程后，可維護(hù)性高。多線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，帶來了并發(fā)讀寫的一系列問題，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度、同時(shí)可能存在線程切換、甚至加鎖解鎖、死鎖造成的性能損耗。
Redis通過AE事件模型以及IO多路復(fù)用等技術(shù)，處理性能非常高，因此沒有必要使用多線程。單線程機(jī)制使得 Redis 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度大大降低，Hash 的惰性 Rehash、Lpush 等等 “線程不安全” 的命令都可以無鎖進(jìn)行。
3.Redis6.0為什么要引入多線程呢？Redis將所有數(shù)據(jù)放在內(nèi)存中，內(nèi)存的響應(yīng)時(shí)長大約為100納秒，對于小數(shù)據(jù)包，Redis服務(wù)器可以處理80,000到100,000 QPS，這也是Redis處理的極限了，對于80%的公司來說，單線程的Redis已經(jīng)足夠使用了。????但隨著越來越復(fù)雜的業(yè)務(wù)場景，有些公司動(dòng)不動(dòng)就上億的交易量，因此需要更大的QPS。常見的解決方案是在分布式架構(gòu)中對數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)并采用多個(gè)服務(wù)器，但該方案有非常大的缺點(diǎn)，例如要管理的Redis服務(wù)器太多，維護(hù)代價(jià)大；某些適用于單個(gè)Redis服務(wù)器的命令不適用于數(shù)據(jù)分區(qū)；數(shù)據(jù)分區(qū)無法解決熱點(diǎn)讀/寫問題；數(shù)據(jù)偏斜，重新分配和放大/縮小變得更加復(fù)雜等等。
從Redis自身角度來說，因?yàn)樽x寫網(wǎng)絡(luò)的read/write系統(tǒng)調(diào)用占用了Redis執(zhí)行期間大部分CPU時(shí)間，瓶頸主要在于網(wǎng)絡(luò)的 IO 消耗, 優(yōu)化主要有兩個(gè)方向:????? 提高網(wǎng)絡(luò) IO 性能，典型的實(shí)現(xiàn)比如使用 DPDK 來替代內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)棧的方式????? 使用多線程充分利用多核，典型的實(shí)現(xiàn)比如 Memcached。
協(xié)議棧優(yōu)化的這種方式跟 Redis 關(guān)系不大，支持多線程是一種最有效最便捷的操作方式。所以總結(jié)起來，redis支持多線程主要就是兩個(gè)原因：??????可以充分利用服務(wù)器 CPU 資源，目前主線程只能利用一個(gè)核??????多線程任務(wù)可以分?jǐn)?Redis 同步 IO 讀寫負(fù)荷
4.Redis6.0默認(rèn)是否開啟了多線程？?Redis6.0的多線程默認(rèn)是禁用的，只使用主線程。如需開啟需要修改redis.conf配置文件：io-threads-do-reads yes?
5.Redis6.0多線程開啟時(shí)，線程數(shù)如何設(shè)置？開啟多線程后，還需要設(shè)置線程數(shù)，否則是不生效的。同樣修改redis.conf配置文件?
關(guān)于線程數(shù)的設(shè)置，官方有一個(gè)建議：4核的機(jī)器建議設(shè)置為2或3個(gè)線程，8核的建議設(shè)置為6個(gè)線程，線程數(shù)一定要小于機(jī)器核數(shù)。還需要注意的是，線程數(shù)并不是越大越好，官方認(rèn)為超過了8個(gè)基本就沒什么意義了。
6.Redis6.0采用多線程后，性能的提升效果如何？Redis 作者 antirez 在 RedisConf 2019分享時(shí)曾提到：Redis 6 引入的多線程 IO 特性對性能提升至少是一倍以上。國內(nèi)也有大牛曾使用unstable版本在阿里云esc進(jìn)行過測試，GET/SET 命令在4線程 IO時(shí)性能相比單線程是幾乎是翻倍了。
測試環(huán)境：
Redis Server: 阿里云 Ubuntu 18.04，8 CPU 2.5 GHZ, 8G 內(nèi)存，主機(jī)型號(hào) ecs.ic5.2xlargeRedis Benchmark Client: 阿里云 Ubuntu 18.04，8 2.5 GHZ CPU, 8G 內(nèi)存，主機(jī)型號(hào) ecs.ic5.2xlarge測試結(jié)果：?
詳見：https://zhuanlan.zhihu.com/p/76788470
說明1：這些性能驗(yàn)證的測試并沒有針對嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难訒r(shí)控制和不同并發(fā)的場景進(jìn)行壓測。數(shù)據(jù)僅供驗(yàn)證參考而不能作為線上指標(biāo)。說明2：如果開啟多線程，至少要4核的機(jī)器，且Redis實(shí)例已經(jīng)占用相當(dāng)大的CPU耗時(shí)的時(shí)候才建議采用，否則使用多線程沒有意義。所以估計(jì)80%的公司開發(fā)人員看看就好。
7.Redis6.0多線程的實(shí)現(xiàn)機(jī)制？?
流程簡述如下：1、主線程負(fù)責(zé)接收建立連接請求，獲取 socket 放入全局等待讀處理隊(duì)列2、主線程處理完讀事件之后，通過 RR(Round Robin) 將這些連接分配給這些 IO 線程3、主線程阻塞等待 IO 線程讀取 socket 完畢4、主線程通過單線程的方式執(zhí)行請求命令，請求數(shù)據(jù)讀取并解析完成，但并不執(zhí)行5、主線程阻塞等待 IO 線程將數(shù)據(jù)回寫 socket 完畢6、解除綁定，清空等待隊(duì)列
（圖片來源：https://ruby-china.org/topics/38957）該設(shè)計(jì)有如下特點(diǎn)：1、IO 線程要么同時(shí)在讀 socket，要么同時(shí)在寫，不會(huì)同時(shí)讀或?qū)?/span>2、IO 線程只負(fù)責(zé)讀寫 socket 解析命令，不負(fù)責(zé)命令處理
8.開啟多線程后，是否會(huì)存在線程并發(fā)安全問題？?從上面的實(shí)現(xiàn)機(jī)制可以看出，Redis的多線程部分只是用來處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的讀寫和協(xié)議解析，執(zhí)行命令仍然是單線程順序執(zhí)行。所以我們不需要去考慮控制 key、lua、事務(wù)，LPUSH/LPOP 等等的并發(fā)及線程安全問題。
9.Linux環(huán)境上如何安裝Redis6.0.1（6.0的正式版是6.0.1）？?這個(gè)和安裝其他版本的redis沒有任何區(qū)別，整個(gè)流程跑下來也沒有任何的坑，所以這里就不做描述了。唯一要注意的就是配置多線程數(shù)一定要小于cpu的核心數(shù)，查看核心數(shù)量命令：
[[email protected] ~]# lscpuArchitecture: x86_64CPU op-mode(s): 32-bit, 64-bitByte Order: Little EndianCPU(s):?4On-line?CPU(s)?list:?0-3
10.Redis6.0的多線程和Memcached多線程模型進(jìn)行對比前些年memcached?是各大互聯(lián)網(wǎng)公司常用的緩存方案，因此redis 和 memcached 的區(qū)別基本成了面試官緩存方面必問的面試題，最近幾年memcached用的少了，基本都是 redis。不過隨著Redis6.0加入了多線程特性，類似的問題可能還會(huì)出現(xiàn)，接下來我們只針對多線程模型來簡單比較一下。
如上圖所示：Memcached 服務(wù)器采用 master-woker 模式進(jìn)行工作，服務(wù)端采用 socket 與客戶端通訊。主線程、工作線程 采用 pipe管道進(jìn)行通訊。主線程采用 libevent 監(jiān)聽 listen、accept 的讀事件，事件響應(yīng)后將連接信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)封裝起來，根據(jù)算法選擇合適的工作線程，將連接任務(wù)攜帶連接信息分發(fā)出去，相應(yīng)的線程利用連接描述符建立與客戶端的socket連接 并進(jìn)行后續(xù)的存取數(shù)據(jù)操作。
Redis6.0與Memcached多線程模型對比：
相同點(diǎn)：都采用了 master線程-worker 線程的模型不同點(diǎn)：Memcached 執(zhí)行主邏輯也是在 worker 線程里，模型更加簡單，實(shí)現(xiàn)了真正的線程隔離，符合我們對線程隔離的常規(guī)理解。而 Redis 把處理邏輯交還給 master 線程，雖然一定程度上增加了模型復(fù)雜度，但也解決了線程并發(fā)安全等問題。
11.Redis作者是如何點(diǎn)評 “多線程”這個(gè)新特性的？關(guān)于多線程這個(gè)特性，在6.0 RC1時(shí)，Antirez曾做過說明：
Redis支持多線程有2種可行的方式：第一種就是像“memcached”那樣，一個(gè)Redis實(shí)例開啟多個(gè)線程，從而提升GET/SET等簡單命令中每秒可以執(zhí)行的操作。這涉及到I/O、命令解析等多線程處理，因此，我們將其稱之為“I/O threading”。另一種就是允許在不同的線程中執(zhí)行較耗時(shí)較慢的命令，以確保其它客戶端不被阻塞，我們將這種線程模型稱為“Slow commands threading”。
經(jīng)過深思熟慮，Redis不會(huì)采用“I/O threading”，redis在運(yùn)行時(shí)主要受制于網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)存，所以提升redis性能主要是通過在多個(gè)redis實(shí)例，特別是redis集群。接下來我們主要會(huì)考慮改進(jìn)兩個(gè)方面：1. Redis集群的多個(gè)實(shí)例通過編排能夠合理地使用本地實(shí)例的磁盤，避免同時(shí)重寫AOF。2.提供一個(gè)Redis集群代理，便于用戶在沒有較好的集群協(xié)議客戶端時(shí)抽象出一個(gè)集群。
補(bǔ)充說明一下，Redis和memcached一樣是一個(gè)內(nèi)存系統(tǒng)，但不同于Memcached。多線程是復(fù)雜的，必須考慮使用簡單的數(shù)據(jù)模型，執(zhí)行LPUSH的線程需要服務(wù)其他執(zhí)行LPOP的線程。
我真正期望的實(shí)際是“slow operations threading”，在redis6或redis7中，將提供“key-level locking”，使得線程可以完全獲得對鍵的控制以處理緩慢的操作。詳見：http://antirez.com/news/126
12.Redis線程中經(jīng)常提到IO多路復(fù)用，如何理解？這是IO模型的一種，即經(jīng)典的Reactor設(shè)計(jì)模式，有時(shí)也稱為異步阻塞IO。
多路指的是多個(gè)socket連接，復(fù)用指的是復(fù)用一個(gè)線程。多路復(fù)用主要有三種技術(shù)：select，poll，epoll。epoll是最新的也是目前最好的多路復(fù)用技術(shù)。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)的速度非常快（內(nèi)存內(nèi)的操作不會(huì)成為這里的性能瓶頸），主要以上兩點(diǎn)造就了Redis具有很高的吞吐量。
13.你知道Redis的彩蛋LOLWUT嗎？這個(gè)其實(shí)從Redis5.0就開始有了，但是原諒我剛剛知道。作者是這么描述這個(gè)功能的《LOLWUT: a piece of art inside a database command》，“數(shù)據(jù)庫命令中的一件藝術(shù)品”。你可以把它稱之為情懷，也可以稱之為彩蛋，具體是什么，我就不透露了。和我一樣不清楚是什么的小伙伴可以參見：http://antirez.com/news/123，每次運(yùn)行都會(huì)隨機(jī)生成的噢。
| 參考、致謝
Rdis作者Antirez的博客：http://antirez.comhttps://www.zhihu.com/question/26943938/answer/68773398https://zhuanlan.zhihu.com/p/76788470http://www.web-lovers.com/redis-source-6-rc-mult-thread.htmlhttps://ruby-china.org/topics/38957https://redis.io/topics/faq#redis-is-single-threaded-how-can-i-exploit-multiple-cpu--coreshttps://juejin.im/post/5e9ae485f265da47b04d95d2https://www.cnblogs.com/gattaca/p/6929361.html本文圖片來自互聯(lián)網(wǎng)，版權(quán)歸原作者所有
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