每天一个知识点：单线程 Redis 为什么能那么快？

今天，我们来探讨一个很多人都很关心的问题：“为什么单线程的 Redis 能那么快？”
首先，要厘清一个事实，我们通常说，Redis 是单线程，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，这也是 Redis 对外提供键值存储服务的主要流程。但 Redis 的其他功能，比如持久化、异步删除、集群数据同步等，其实是由额外的线程执行的。

Redis 为什么用单线程？

• 本身是基于内存的，CPU并不是其主要的性能瓶颈。
• 对于一些共享资源的访问使用多线程的话，常常需要一些别的机制来保证数据库的一致性（例如锁机制），会造成一定的资源浪费。

多线程的开销

• 在有合理的资源分配的情况下，可以增加系统中处理请求操作的资源实体，进而提升系统能够同时处理的请求数，即吞吐率。(提高并发度，并不一定非得采用多线程的方式；采用多路复用、事件驱动的方式也可以。)
• 如果没有良好的系统设计，实际得到的结果，其实是刚开始增加线程数时，系统吞吐率会增加，但是，再进一步增加线程时，系统吞吐率就增长迟缓了，有时甚至还会出现下降的情况。为什么会出现这种情况呢？系统中通常会存在被多线程同时访问的共享资源(1、线程之间的竞争2、线程切换)，比如一个共享的数据结构。当有多个线程要修改这个共享资源时，为了保证共享资源的正确性，就需要有额外的机制进行保证，而这个额外的机制，就会带来额外的开销。
• 共享资源的并发访问控制问题。如果没有精细的设计，比如说，只是简单地采用一个粗粒度互斥锁，就会出现不理想的结果：即使增加了线程，大部分线程也在等待获取访问共享资源的互斥锁，并行变串行，系统吞吐率并没有随着线程的增加而增加。采用多线程开发一般会引入同步原语来保护共享资源的并发访问，这也会降低系统代码的易调试性和可维护性。

单线程 Redis 为什么那么快？

• 大部分操作在内存上完成。
• 采用了高效的数据结构，例如哈希表和跳表，这是它实现高性能的一个重要原因。
• 采用了多路复用机制，使其在网络 IO 操作中能并发处理大量的客户端请求，实现高吞吐率。

基本 IO 模型与阻塞点

1. 监听客户端请求（bind/listen）;
2. 与客户端建立连接（accept）— 阻塞点;
3. 从socket中读取请求（recv）— 阻塞点;
4. 解析客户端请求（parse）;
5. 向socket中写回数据（send）。

基于多路复用的高性能 I/O 模型

• Linux 中的 IO 多路复用机制是指一个线程处理多个 IO 流，就是我们经常听到的 select/epoll 机制。简单来说，在 Redis 只运行单线程的情况下，该机制允许内核中，同时存在多个监听套接字和已连接套接字。内核会一直监听这些套接字上的连接请求或数据请求。一旦有请求到达，就会交给 Redis 线程处理，这就实现了一个 Redis 线程处理多个 IO 流的效果。
• Redis IO 多路复用机制总结为：
  • 基于linux select/epoll
  • 内核可同时监听多个监听套接字和多个已连接套接字
  • 一旦内核监听到套接字上有数据返回，立刻交给redis线程处理数据
• 为了在请求到达时能通知到 Redis 线程，select/epoll 提供了基于事件的回调机制，即针对不同事件的发生，调用相应的处理函数。所有添加到epoll中的事件都会与设备(网卡)驱动程序建立回调关系，也就是说，当相应的事件发生时会调用这个回调方法。这个回调方法在内核中叫ep_poll_callback,它会将发生的事件添加到rdlist双链表中。
• 回调机制是怎么工作的呢？select/epoll 一旦监测到 FD 上有请求到达时，就会触发相应的事件。这些事件会被放进一个事件队列，Redis 单线程对该事件队列不断进行处理。这样一来，Redis 无需一直轮询是否有请求实际发生，这就可以避免造成 CPU 资源浪费。同时，Redis 在对事件队列中的事件进行处理时，会调用相应的处理函数，这就实现了基于事件的回调。因为 Redis 一直在对事件队列进行处理，所以能及时响应客户端请求，提升 Redis 的响应性能。即所有添加到epoll中的事件都会与设备(网卡)驱动程序建立回调关系，也就是说，一旦监测到fd上有请求到达时，就会触发相应的事件，当相应的事件发生时会调用回调方法。这个回调方法在内核中叫ep_poll_callback,它会将发生的事件添加到rdlist双链表中。select 轮询遍历 文件对象的被监控的事件（accept, read, write）,一旦某个文件对象的监控事件被触发（读或者写或者请求就绪），满足条件，这个事件就会被放到事件队列进行处理，处理的过程就是调用对应的回调函数。
• 不同的操作系统，多路复用机制也是适用的。因为这个机制的实现有很多种，既有基于 Linux 系统下的 select 和 epoll 实现，也有基于 FreeBSD 的 kqueue 实现，以及基于 Solaris 的 evport 实现，这样，你可以根据 Redis 实际运行的操作系统，选择相应的多路复用实现。

总结

• Redis 单线程是指它对网络 IO 和数据读写的操作采用了一个线程，而采用单线程的一个核心原因是避免多线程开发的并发控制问题。单线程的 Redis 也能获得高性能，跟多路复用的 IO 模型密切相关，因为这避免了 accept() 和 send()/recv() 潜在的网络 IO 操作阻塞点。