Redis单线程为什么这么快?

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大家都知道,Redis是单线程的,为什么采用单线程的Redis也会如此之快呢?接下来我给大家分析其中缘由。

严格来说,Redis Server是多线程的,只是它的请求处理整个流程是单线程处理的。这一点我们一定要清楚了解到,不要单纯地认为Redis Server是单线程的。

Redis的性能非常之高,每秒可以承受10W+的QPS,它如此优秀的性能主要取决于以下几个方面:

  • Redis大部分操作在内存完成

  • 采用IO多路复用机制

  • 非CPU密集型任务

  • 单线程的优势

Redis单线程为什么这么快?

存内存操作

Redis是一个内存数据库,它的数据都存储在内存中,这意味着我们读写数据都是在内存中完成,这个速度是非常快的。
Redis底层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。
Redis单线程为什么这么快?

采用IO多路复用机制

Redis 基于 Reactor 模式开发了自己的网络事件处理器:这个处理器被称为文件事件处理器(file event handler)。文件事件处理器使用 I/O 多路复用(multiplexing)程序来同时监听多个套接字,并根据套接字目前执行的任务来为套接字关联不同的事件处理器。
当被监听的套接字准备好执行连接应答(accept)、读取(read)、写入(write)、关闭(close)等操作时,与操作相对应的文件事件就会产生,这时文件事件处理器就会调用套接字之前关联好的事件处理器来处理这些事件。
虽然文件事件处理器以单线程方式运行,但通过使用 I/O 多路复用程序来监听多个套接字,文件事件处理器既实现了高性能的网络通信模型,又可以很好地与 Redis 服务器中其他同样以单线程方式运行的模块进行对接,这保持了 Redis 内部单线程设计的简单性。
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非CPU密集型任务

采用单线程的缺点很明显,无法使用多核CPU。Redis作者提到,由于Redis的大部分操作并不是CPU密集型任务,而Redis的瓶颈在于内存和网络带宽。
在高并发请求下,Redis需要更多的内存和更高的网络带宽,否则瓶颈很容易出现在内存不够用和网络延迟等待的情况。
当然,如果你觉得单个Redis实例的性能不足以支撑业务,Redis作者推荐部署多个Redis节点,组成集群的方式来利用多核CPU的能力,而不是在单个实例上使用多线程来处理。
Redis单线程为什么这么快?

单线程的优点

基于以上特性,Redis采用单线程已足够达到非常高的性能,所以Redis没有采用多线程模型。
另外,单线程模型还带了以下好处:
  • 避免多线程上下文切换导致的性能损耗
  • 避免多线程访问共享资源加锁导致的性能损耗
所以Redis正是基于有以上这些优点,所以采用了单线程模型来完成请求处理的工作。
Redis单线程为什么这么快?

单线程的缺点

单线程处理最大的缺点就是,如果前一个请求发生耗时比较久的操作,那么整个Redis都会被阻塞,其他请求也无法进来,直到这个耗时久的操作处理完成并返回,其他请求才能被处理到。
我们平时遇到Redis响应变慢或长时间阻塞的问题,大部分都是因为Redis处理请求是单线程这个原因导致的。
所以,我们在使用Redis时,一定要避免非常耗时的操作,例如使用时间复杂度过高的方式获取数据、一次性获取过多的数据、大量key集中过期导致Redis淘汰key压力变大等等,这些场景都会阻塞住整个处理线程,直到它们处理完成,势必会影响业务的访问。
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多线程的优点

Redis Server是多线程的,除了请求处理流程是单线程处理之外,Redis内部还有其他工作线程在后台执行,它负责异步执行某些比较耗时的任务,例如AOF每秒刷盘、AOF文件重写都是在另一个线程中完成的。
而在Redis 4.0之后,Redis引入了lazyfree的机制,提供了unlink、flushall aysc、flushdb async等命令和lazyfree-lazy-eviction、lazyfree-lazy-expire等机制来异步释放内存,它主要是为了解决在释放大内存数据导致整个redis阻塞的性能问题。
在删除大key时,释放内存往往都比较耗时,所以Redis提供异步释放内存的方式,让这些耗时的操作放到另一个线程中异步去处理,从而不影响主线程的执行,提高性能。
到了Redis 6.0,Redis又引入了多线程来完成请求数据的协议解析,进一步提升性能。它主要是解决高并发场景下,单线程解析请求数据协议带来的压力。请求数据的协议解析由多线程完成之后,后面的请求处理阶段依旧还是单线程排队处理。
可见,Redis并不是保守地认为单线程有多好,也不是为了使用多线程而引入多线程。Redis作者很清楚单线程和多线程的使用场景,针对性地优化。

原文始发于微信公众号(Java程序鱼):Redis单线程为什么这么快?