為什么Redis單線程還這么快？

眾所周知，Redis在內(nèi)存庫數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域非常地火熱，它極高的性能和豐富的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為我們的開發(fā)提供了極大的便利。

但我們也聽說了，Redis是單線程的，為什么采用單線程的Redis也會如此之快呢？這篇文章我們來分析一下其中的緣由。

其實(shí)，嚴(yán)格來說，Redis Server是多線程的，只是它的請求處理整個(gè)流程是單線程處理的。這一點(diǎn)我們一定要清楚了解到，不要單純地認(rèn)為Redis Server是單線程的！

我們平時(shí)說的Redis單線程快是指它的請求處理過程非常地快！

下面我們就來分下一下為什么請求處理使用單線程，依舊可以達(dá)到這么高的性能。

Redis的性能非常之高，每秒可以承受10W+的QPS，它如此優(yōu)秀的性能主要取決于以下幾個(gè)方面：

• 純內(nèi)存操作
• 使用IO多路復(fù)用技術(shù)
• 非CPU密集型任務(wù)
• 單線程的優(yōu)勢

純內(nèi)存操作

Redis是一個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，它的數(shù)據(jù)都存儲在內(nèi)存中，這意味著我們讀寫數(shù)據(jù)都是在內(nèi)存中完成，這個(gè)速度是非?？斓?。

Redis是一個(gè)KV內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，它內(nèi)部構(gòu)建了一個(gè)哈希表，根據(jù)指定的KEY訪問時(shí)，只需要O(1)的時(shí)間復(fù)雜度就可以找到對應(yīng)的數(shù)據(jù)。同時(shí)，Redis提供了豐富的數(shù)據(jù)類型，并使用高效的操作方式進(jìn)行操作，這些操作都在內(nèi)存中進(jìn)行，并不會大量消耗CPU資源，所以速度極快。

使用IO多路復(fù)用技術(shù)

Redis采用單線程，那么它是如何處理多個(gè)客戶端連接請求呢？

Redis采用了IO多路復(fù)用技術(shù)和非阻塞IO，這個(gè)技術(shù)由操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提供，Redis可以方便地操作系統(tǒng)的API即可。Redis可以在單線程中監(jiān)聽多個(gè)Socket的請求，在任意一個(gè)Socket可讀/可寫時(shí)，Redis去讀取客戶端請求，在內(nèi)存中操作對應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后再寫回到Socket中。

整個(gè)過程非常高效，Redis利用了IO多路復(fù)用技術(shù)的事件驅(qū)動模型，保證在監(jiān)聽多個(gè)Socket連接的情況下，只針對有活動的Socket采取反應(yīng)。

非CPU密集型任務(wù)

采用單線程的缺點(diǎn)很明顯，無法使用多核CPU。Redis作者提到，由于Redis的大部分操作并不是CPU密集型任務(wù)，而Redis的瓶頸在于內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)帶寬。

在高并發(fā)請求下，Redis需要更多的內(nèi)存和更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬，否則瓶頸很容易出現(xiàn)在內(nèi)存不夠用和網(wǎng)絡(luò)延遲等待的情況。

當(dāng)然，如果你覺得單個(gè)Redis實(shí)例的性能不足以支撐業(yè)務(wù)，Redis作者推薦部署多個(gè)Redis節(jié)點(diǎn)，組成集群的方式來利用多核CPU的能力，而不是在單個(gè)實(shí)例上使用多線程來處理。

單線程的優(yōu)勢

基于以上特性，Redis采用單線程已足夠達(dá)到非常高的性能，所以Redis沒有采用多線程模型。

另外，單線程模型還帶了以下好處：

• 沒有了多線程上下文切換的性能損耗
• 沒有了訪問共享資源加鎖的性能損耗
• 開發(fā)和調(diào)試非常友好，可維護(hù)性高

所以Redis正是基于以上這些方面，所以采用了單線程模型來完成請求處理的工作。

多線程優(yōu)化

在文章開頭已經(jīng)特別說明，Redis Server本身是多線程的，除了請求處理流程是單線程處理之外，Redis內(nèi)部還有其他工作線程在后臺執(zhí)行，它負(fù)責(zé)異步執(zhí)行某些比較耗時(shí)的任務(wù)，例如AOF每秒刷盤、AOF文件重寫都是在另一個(gè)線程中完成的。

而在Redis 4.0之后，Redis引入了lazyfree的機(jī)制，提供了unlink、flushall aysc、flushdb async等命令和lazyfree-lazy-eviction、lazyfree-lazy-expire等機(jī)制來異步釋放內(nèi)存，它主要是為了解決在釋放大內(nèi)存數(shù)據(jù)導(dǎo)致整個(gè)redis阻塞的性能問題。

在刪除大key時(shí)，釋放內(nèi)存往往都比較耗時(shí)，所以Redis提供異步釋放內(nèi)存的方式，讓這些耗時(shí)的操作放到另一個(gè)線程中異步去處理，從而不影響主線程的執(zhí)行，提高性能。

到了Redis 6.0，Redis又引入了多線程來完成請求數(shù)據(jù)的協(xié)議解析，進(jìn)一步提升性能。

它主要是解決高并發(fā)場景下，單線程解析請求數(shù)據(jù)協(xié)議帶來的壓力。請求數(shù)據(jù)的協(xié)議解析由多線程完成之后，后面的請求處理階段依舊還是單線程排隊(duì)處理。

可見，Redis并不是保守地認(rèn)為單線程有多好，也不是為了使用多線程而引入多線程。Redis作者很清楚單線程和多線程的使用場景，針對性地優(yōu)化，這是非常值得我們學(xué)習(xí)的。

缺點(diǎn)

上面介紹了單線程可以達(dá)到如此高的性能，并不是說它就沒有缺點(diǎn)了。

單線程處理最大的缺點(diǎn)就是，如果前一個(gè)請求發(fā)生耗時(shí)比較久的操作，那么整個(gè)Redis就會阻塞住，其他請求也無法進(jìn)來，直到這個(gè)耗時(shí)久的操作處理完成并返回，其他請求才能被處理到。

我們平時(shí)遇到Redis變慢或長時(shí)間阻塞的問題，90%也都是因?yàn)镽edis處理請求是單線程這個(gè)原因?qū)е碌摹?/p>

所以，我們在使用Redis時(shí)，一定要避免非常耗時(shí)的操作，例如使用時(shí)間復(fù)雜度過高的方式獲取數(shù)據(jù)、一次性獲取過多的數(shù)據(jù)、大量key集中過期導(dǎo)致Redis淘汰key壓力變大等等，這些場景都會阻塞住整個(gè)處理線程，直到它們處理完成，勢必會影響業(yè)務(wù)的訪問。

我會在后期的文章中專門介紹具體有哪些場景會引發(fā)Redis阻塞的問題，并提供規(guī)避問題的方法和優(yōu)化方案。

總結(jié)

Redis使用單線程，配合IO多路復(fù)用技術(shù)，可以完成多個(gè)連接的請求處理。而且正是由于它的使用定位是內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，這樣幾乎所有的操作都在內(nèi)存中完成，它的性能可以達(dá)到非常之高。

同時(shí)，單線程沒有了線程上下文切換和訪問共享資源加鎖的性能損耗，而且單線程模型對程序的開發(fā)和調(diào)試非常友好，因此Redis使用單線程模型也就在情理之中了。

Redis在最近的版本也對多線程進(jìn)行了優(yōu)化，用于解決釋放大內(nèi)存數(shù)據(jù)和請求數(shù)據(jù)協(xié)議解析對Redis產(chǎn)生的性能影響，進(jìn)一步提升了Redis的性能。

單線程結(jié)合上述場景可以達(dá)到非常高的性能，同時(shí)也存在耗時(shí)操作阻塞整個(gè)線程的問題，我們在使用Redis時(shí)要避免耗時(shí)過長的操作，才能更好地發(fā)揮Redis的性能。

原文鏈接：kaito-kidd.com/2020/06/28/why-redis-so-fast/