Redis——单线程模型详解

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原创 2022-03-04 14:57:47 2.4k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

Redis进阶之路：深析Redis单线程架构，图文并茂非常值得收藏 Redis客户端与服务端的模型可以简化成下图，每次客户端调用都经历了发送命令、执行命令、返回结果三个过程。我们说的单线程就是在第二步执行命令，一条命令从从客户端达到服务端不会立刻被执行，而是会进入一个队列中等待，每次只会有一条指令被选中执行。发送命令、返回结果、命令排队这些就不是那么简单了，例如Redis使用了I/O多路复用技术来解决I/O的问题。这是官方的解释：官方FAQ表示，因为Redis是基于内存的操作，CPU成为Redis的瓶颈的情况很少见，Redis的瓶颈最有可能是内存的大小或者网络限制。阅读详情

在这里插入图片描述

前言：单线程模型

Redis客户端对服务端的每次调用都经历了发送命令，执行命令，返回结果三个过程。其中执行命令阶段，由于Redis是单线程来处理命令的，所有每一条到达服务端的命令不会立刻执行，所有的命令都会进入一个队列中，然后逐个被执行。并且多个客户端发送的命令的执行顺序是不确定的。但是可以确定的是不会有两条命令被同时执行，不会产生并发问题，这就是Redis的单线程基本模型。

1、redis单线程问题

单线程指的是网络请求模块使用了一个线程（所以不需考虑并发安全性），即一个线程处理所有网络请求，其他模块仍用了多个线程。

2、为什么说redis能够快速执行

绝大部分请求是纯粹的内存操作（非常快速）
采用单线程,避免了不必要的上下文切换和竞争条件
非阻塞IO - IO多路复用，Redis采用epoll做为I/O多路复用技术的实现，再加上Redis自身的事件处理模型将epoll中的连接，读写，关闭都转换为了事件，不在I/O上浪费过多的时间。

Redis采用单线程模型，每条命令执行如果占用大量时间，会造成其他线程阻塞，对于Redis这种高性能服务是致命的，所以Redis是面向高速执行的数据库。

3、redis的内部实现

内部实现采用epoll，采用了epoll+自己实现的简单的事件框架。epoll中的读、写、关闭、连接都转化成了事件，然后利用epoll的多路复用特性，绝不在io上浪费一点时间这3个条件不是相互独立的，特别是第一条，如果请求都是耗时的，采用单线程吞吐量及性能可想而知了。应该说redis为特殊的场景选择了合适的技术方案。

4、 Redis关于线程安全问题

redis实际上是采用了线程封闭的观念，把任务封闭在一个线程，自然避免了线程安全问题，不过对于需要依赖多个redis操作的复合操作来说，依然需要锁，而且有可能是分布式锁。

5、个人理解

redis分客户端和服务端，一次完整的redis请求事件有多个阶段（客户端到服务器的网络连接–>redis读写事件发生–>redis服务端的数据处理（单线程）–>数据返回）。平时所说的redis单线程模型，本质上指的是服务端的数据处理阶段，不牵扯网络连接和数据返回，这是理解redis单线程的第一步。

redis可以同时接收多个客户端的连接请求，一旦建立了连接，立马启用单线程探测的方式，一次接收客户端的请求并处理数据并返回数据，由于数据的处理是在本地内存中，所以速度非常快，因此单线程方式在效率上其实并不需要担心。

1：客户端到服务器的网络连接
　　首先，客户端和服务器是socket通信方式，socket服务端监听可同时接受多个客户端请求，这点很重要，如果不理解可先记住。注意这里可以理解为本质上与redis无关，这里仅仅做网络连接，或者可以理解为，为redis服务端提供网络交互api。
　　假设建立网络连接需要30秒（为了更容易理解，所以时间上扩大了N倍）
2：redis读写事件发生并向服务端发送请求数据
　　首先确定一点，redis的客户端与服务器端通信是基于TCP连接（不懂去看，基础很重要），第一阶段仅仅是建立了客户端到服务器的网络连接，然后才是发生第二阶段的读写事件。
完成了上一个阶段的网络连接，redis客户端开始真正向服务器发起读写事件，假设是set（写）事件，此时redis客户端开始向建立的网络流中送数据，服务端可以理解为给每一个网络连接创建一个线程同时接收客户端的请求数据。
　　假设从客户端发数据，到服务端接收完数据需要10秒。
3：redis服务端的数据处理
　　服务端完成了第二阶段的数据接收，接下来开始依据接收到的数据做逻辑处理，然后得到处理后的数据。数据处理可以理解为一次方法调用，带参调用方法，最终得到方法返回值。不要想复杂，重在理解流程。
　　假设redis服务端处理数据需要0.1秒
4：数据返回
　　这一阶段很简单，当reids服务端数据处理完后就会立即返回处理后的数据，没什么特别需要强调的。
　　假设服务端把处理后的数据回送给客户端需要5秒。

6、那么什么是Reids的单线程

第一阶段说过，redis是以socket方式通信，socket服务端可同时接受多个客户端请求连接，也就是说，redis服务同时面对多个redis客户端连接请求，而redis服务本身是单线程运行。
　　
　　客户端与服务端建立连接交由socket，可以同时建立多个连接（这里应该是多线程/多进程），建立的连接redis是知道的（为什么知道，去看socket编程，再次强调基础很重要），然后redis会基于这些建立的连接去探测哪个连接已经接收完了客户端的请求数据（注意：不是探测哪个连接建立好了，而是探测哪个接收完了请求数据），而且这里的探测动作就是单线程的开始，一旦探测到则基于接收到的数据开始数据处理阶段，然后返回数据，再继续探测下一个已经接收完请求数据的网络连接。注意，从探测到数据处理再到数据返回，全程单线程。这应该就是所谓的redis单线程。至于内部有多复杂我们无需关心，我们追求的是理解流程，苛求原理，但不能把内脏都挖出来。
　　
　　从探测到接受完请求数据的网络连接到最终的数据返回，服务器只需要5.1秒，这个时间是我放大N倍后的数据，实际时间远远小于这个，可能是5.1的N万分之一时间，为什么这么说，因为数据的处理是在本地内存中，速度有多快任你想象，最终的返回数据虽然牵扯到网络，但是网络连接已经建立，这个速度也是非常非常快的，只是比数据处理阶段慢那么一点点。因此单线程方式在效率上其实并不需要担心。