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Redis是单线程的,但是为什么还那么快?

Redis是单线程的,但是为什么还那么快?

    Redis是纯内存操作,执行速度非常快

    采用单线程,避免不必要的上下文切换可竞争条件,多线程还要考虑线程安全问题 

    使用I/O多路复用模型,非阻塞IO


能解释一下I/O多路复用模型?

Redis是纯内存操作,执行速度非常快,它的性能瓶颈是网络延迟而不是执行速度, I/O多路复用模型主要就是实现了高效的网络请求


用户空间和内核空间


常见的IO模型 

    阻塞IO(Blocking IO) 

    非阻塞IO(Nonblocking IO) 

    IO多路复用(IO Multiplexing) 


Redis网络模型


用户空间和内核空间

Linux系统中一个进程使用的内存情况划分两部分:内核空间、用户空间

用户空间只能执行受限的命令(Ring3),而且不能直接调用系统资源    

    必须通过内核提供的接口来访问 

内核空间可以执行特权命令(Ring0),调用一切系统资源


Linux系统为了提高IO效率,会在用户空间和内核空间都加入缓冲区:

    写数据时,要把用户缓冲数据拷贝到内核缓冲区,然后写入设备 

    读数据时,要从设备读取数据到内核缓冲区,然后拷贝到用户缓冲区

Image.png

阻塞IO

顾名思义,阻塞IO就是两个阶段都必须阻塞等待:

Image.png

阶段一:

    1、用户进程尝试读取数据(比如网卡数据) 

    2、此时数据尚未到达,内核需要等待数据 

    3、此时用户进程也处于阻塞状态 

阶段二: 

    1、数据到达并拷贝到内核缓冲区,代表已就绪 

    2、将内核数据拷贝到用户缓冲区 

    3、拷贝过程中,用户进程依然阻塞等待 

    4、拷贝完成,用户进程解除阻塞,处理数据 


可以看到,阻塞IO模型中,用户进程在两个阶段都是阻塞状态。


非阻塞IO

顾名思义,非阻塞IO的recvfrom操作会立即返回结果而不是阻塞用户进程。

Image.png

阶段一: 

    1、用户进程尝试读取数据(比如网卡数据) 

    2、此时数据尚未到达,内核需要等待数据 

    3、返回异常给用户进程 

    4、用户进程拿到error后,再次尝试读取 

    5、循环往复,直到数据就绪 

阶段二: 

    1、将内核数据拷贝到用户缓冲区 

    2、拷贝过程中,用户进程依然阻塞等待 ‘

    3、拷贝完成,用户进程解除阻塞,处理数据 


可以看到,非阻塞IO模型中,用户进程在第一个阶段是非阻塞,第二个阶段是阻塞状态。虽然是非阻塞,但性能并没有得到提高。而且忙等机制会导致CPU空转,CPU使用率暴增。


IO多路复用

IO多路复用:是利用单个线程来同时监听多个Socket ,并在某个Socket可读、可写时得到通知,从而避免无效的等待,充分利用CPU资源。

Image.png

阶段一:

    1、用户进程调用select,指定要监听的Socket集合 

    2、内核监听对应的多个socket 

    3、任意一个或多个socket数据就绪则返回readable 

    4、此过程中用户进程阻塞 

阶段二: 

    1、用户进程找到就绪的socket 

    2、依次调用recvfrom读取数据 

    3、内核将数据拷贝到用户空间 

    4、用户进程处理数据


不过监听Socket的方式、通知的方式又有多种实现,常见的有:

    select 

    poll 

    epoll


差异:

    select和poll只会通知用户进程有Socket就绪,但不确定具体是哪个Socket ,需要用户进程逐个遍历Socket来确认 

    epoll则会在通知用户进程Socket就绪的同时,把已就绪的Socket写入用户空间


Redis网络模型

Redis通过IO多路复用来提高网络性能,并且支持各种不同的多路复用实现,并且将这些实现进行封装, 提供了统一的高性能事件库

Image.png

就是使用I/O多路复用结合事件的处理器来应对多个Socket请求

    连接应答处理器 

    命令回复处理器,在Redis6.0之后,为了提升更好的性能,使用了多线程来处理回复事件 

    命令请求处理器,在Redis6.0之后,将命令的转换使用了多线程,增加命令转换速度,在命令执行的时候,依然是单线程



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