?這次主要分享 Redis 線程模型篇的面試題。

• Redis 是單線程嗎？
• Redis 單線程模式是怎樣的？
• Redis 采用單線程為什么還這么快？
• Redis 6.0 之前為什么使用單線程？
• Redis 6.0 之后為什么引入了多線程？

Redis 是單線程嗎？

Redis 單線程指的是「接收客戶端請求->解析請求 ->進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫等操作->發(fā)生數(shù)據(jù)給客戶端」這個過程是由一個線程（主線程）來完成的，這也是我們常說 Redis 是單線程的原因。

但是，Redis 程序并不是單線程的，Redis 在啟動的時候，是會啟動后臺線程（BIO）的：

• Redis 在 2.6 版本，會啟動 2 個后臺線程，分別處理關(guān)閉文件、AOF 刷盤這兩個任務(wù)；
• Redis 在 4.0 版本之后，新增了一個新的后臺線程，用來異步釋放 Redis 內(nèi)存，也就是 lazyfree 線程。例如執(zhí)行 unlink key / flushdb async / flushall async 等命令，會把這些刪除操作交給后臺線程來執(zhí)行，好處是不會導(dǎo)致 Redis 主線程卡頓。因此，當(dāng)我們要刪除一個大 key 的時候，不要使用 del 命令刪除，因為 del 是在主線程處理的，這樣會導(dǎo)致 Redis 主線程卡頓，因此我們應(yīng)該使用 unlink 命令來異步刪除大key。

之所以 Redis 為「關(guān)閉文件、AOF 刷盤、釋放內(nèi)存」這些任務(wù)創(chuàng)建單獨(dú)的線程來處理，是因為這些任務(wù)的操作都是很耗時的，如果把這些任務(wù)都放在主線程來處理，那么 Redis 主線程就很容易發(fā)生阻塞，這樣就無法處理后續(xù)的請求了。

后臺線程相當(dāng)于一個消費(fèi)者，生產(chǎn)者把耗時任務(wù)丟到任務(wù)隊列中，消費(fèi)者（BIO）不停輪詢這個隊列，拿出任務(wù)就去執(zhí)行對應(yīng)的方法即可。

關(guān)閉文件、AOF 刷盤、釋放內(nèi)存這三個任務(wù)都有各自的任務(wù)隊列：

• BIO_CLOSE_FILE，關(guān)閉文件任務(wù)隊列：當(dāng)隊列有任務(wù)后，后臺線程會調(diào)用 close(fd) ，將文件關(guān)閉；
• BIO_AOF_FSYNC，AOF刷盤任務(wù)隊列：當(dāng) AOF 日志配置成 everysec 選項后，主線程會把 AOF 寫日志操作封裝成一個任務(wù)，也放到隊列中。當(dāng)發(fā)現(xiàn)隊列有任務(wù)后，后臺線程會調(diào)用 fsync(fd)，將 AOF 文件刷盤，
• BIO_LAZY_FREE，lazy free 任務(wù)隊列：當(dāng)隊列有任務(wù)后，后臺線程會 free(obj) 釋放對象 / free(dict) 刪除數(shù)據(jù)庫所有對象 / free(skiplist) 釋放跳表對象；

Redis 單線程模式是怎樣的？

Redis 6.0 版本之前的單線模式如下圖：

圖片

圖中的藍(lán)色部分是一個事件循環(huán)，是由主線程負(fù)責(zé)的，可以看到網(wǎng)絡(luò) I/O 和命令處理都是單線程。Redis 初始化的時候，會做下面這幾年事情：

• 首先，調(diào)用 epoll_create() 創(chuàng)建一個 epoll 對象和調(diào)用 socket() 一個服務(wù)端 socket
• 然后，調(diào)用 bind() 綁定端口和調(diào)用 listen() 監(jiān)聽該 socket；
• 然后，將調(diào)用 epoll_crt() 將 listen socket 加入到 epoll，同時注冊「連接事件」處理函數(shù)。

初始化完后，主線程就進(jìn)入到一個事件循環(huán)函數(shù)，主要會做以下事情：

首先，先調(diào)用處理發(fā)送隊列函數(shù)，看是發(fā)送隊列里是否有任務(wù)，如果有發(fā)送任務(wù)，則通過 write 函數(shù)將客戶端發(fā)送緩存區(qū)里的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，如果這一輪數(shù)據(jù)沒有發(fā)生完，就會注冊寫事件處理函數(shù)，等待 epoll_wait 發(fā)現(xiàn)可寫后再處理 。

接著，調(diào)用 epoll_wait 函數(shù)等待事件的到來：

• 如果是連接事件到來，則會調(diào)用連接事件處理函數(shù)，該函數(shù)會做這些事情：調(diào)用 accpet 獲取已連接的 socket ->  調(diào)用 epoll_ctr 將已連接的 socket 加入到 epoll -> 注冊「讀事件」處理函數(shù)；
• 如果是讀事件到來，則會調(diào)用讀事件處理函數(shù)，該函數(shù)會做這些事情：調(diào)用 read 獲取客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù) -> 解析命令 -> 處理命令 -> 將客戶端對象添加到發(fā)送隊列 -> 將執(zhí)行結(jié)果寫到發(fā)送緩存區(qū)等待發(fā)送；
• 如果是寫事件到來，則會調(diào)用寫事件處理函數(shù)，該函數(shù)會做這些事情：通過 write 函數(shù)將客戶端發(fā)送緩存區(qū)里的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，如果這一輪數(shù)據(jù)沒有發(fā)生完，就會繼續(xù)注冊寫事件處理函數(shù)，等待 epoll_wait 發(fā)現(xiàn)可寫后再處理 。

以上就是 Redis 單線模式的工作方式。?

Redis 采用單線程為什么還這么快？

官方使用基準(zhǔn)測試的結(jié)果是，單線程的 Redis 吞吐量可以達(dá)到 10W/每秒，如下圖所示：

之所以 Redis 采用單線程（網(wǎng)絡(luò) I/O 和執(zhí)行命令）那么快，有如下幾個原因：

• Redis 的大部分操作都在內(nèi)存中完成，并且采用了高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因此 Redis 瓶頸可能是機(jī)器的內(nèi)存或者網(wǎng)絡(luò)帶寬，而并非 CPU，既然 CPU 不是瓶頸，那么自然就采用單線程的解決方案了；
• Redis 采用單線程模型可以避免了多線程之間的競爭，省去了多線程切換帶來的時間和性能上的開銷，而且也不會導(dǎo)致死鎖問題。
• Redis 采用了I/O 多路復(fù)用機(jī)制處理大量的客戶端 Socket 請求，IO 多路復(fù)用機(jī)制是指一個線程處理多個 IO 流，就是我們經(jīng)常聽到的 select/epoll 機(jī)制。簡單來說，在 Redis 只運(yùn)行單線程的情況下，該機(jī)制允許內(nèi)核中，同時存在多個監(jiān)聽 Socket 和已連接 Socket。內(nèi)核會一直監(jiān)聽這些 Socket 上的連接請求或數(shù)據(jù)請求。一旦有請求到達(dá)，就會交給 Redis 線程處理，這就實(shí)現(xiàn)了一個 Redis 線程處理多個 IO 流的效果。

Redis 6.0 之前為什么使用單線程？

我們都知道單線程的程序是無法利用服務(wù)器的多核 CPU 的，那么早期 Redis 版本的主要工作（網(wǎng)絡(luò) I/O 和執(zhí)行命令）為什么還要使用單線程呢？我們不妨先看一下Redis官方給出的FAQ。

核心意思是：CPU 并不是制約 Redis 性能表現(xiàn)的瓶頸所在，更多情況下是受到內(nèi)存大小和網(wǎng)絡(luò)I/O的限制，所以 Redis 核心網(wǎng)絡(luò)模型使用單線程并沒有什么問題，如果你想要使用服務(wù)的多核CPU，可以在一臺服務(wù)器上啟動多個節(jié)點(diǎn)或者采用分片集群的方式。

除了上面的官方回答，選擇單線程的原因也有下面的考慮。

使用了單線程后，可維護(hù)性高，多線程模型雖然在某些方面表現(xiàn)優(yōu)異，但是它卻引入了程序執(zhí)行順序的不確定性，帶來了并發(fā)讀寫的一系列問題，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度、同時可能存在線程切換、甚至加鎖解鎖、死鎖造成的性能損耗。

Redis 6.0 之后為什么引入了多線程？

雖然 Redis 的主要工作（網(wǎng)絡(luò) I/O 和執(zhí)行命令）一直是單線程模型，但是在 Redis 6.0 版本之后，也采用了多個 I/O 線程來處理網(wǎng)絡(luò)請求，這是因為隨著網(wǎng)絡(luò)硬件的性能提升，Redis 的性能瓶頸有時會出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò) I/O 的處理上。

所以為了提高網(wǎng)絡(luò)請求處理的并行度，Redis 6.0 對于網(wǎng)絡(luò)請求采用多線程來處理。但是對于讀寫命令，Redis 仍然使用單線程來處理，所以大家不要誤解 Redis 有多線程同時執(zhí)行命令。

Redis 官方表示，Redis 6.0 版本引入的多線程 I/O 特性對性能提升至少是一倍以上。

Redis 6.0 版本支持的 I/O  多線程特性，默認(rèn)是 I/O 多線程只處理寫操作（write client socket），并不會以多線程的方式處理讀操作（read client socket）。要想開啟多線程處理客戶端讀請求，就需要把  Redis.conf  配置文件中的 io-threads-do-reads 配置項設(shè)為 yes。

//讀請求也使用io多線程
io-threads-do-reads yes 

同時， Redis.conf  配置文件中提供了  IO 多線程個數(shù)的配置項。

// io-threads N，表示啟用 N-1 個 I/O 多線程（主線程也算一個 I/O 線程）
io-threads 4 

關(guān)于線程數(shù)的設(shè)置，官方的建議是如果為 4 核的 CPU，建議線程數(shù)設(shè)置為 2 或 3，如果為 8 核 CPU 建議線程數(shù)設(shè)置為 6，線程數(shù)一定要小于機(jī)器核數(shù)，線程數(shù)并不是越大越好。因此， Redis 6.0 版本之后，Redis 在啟動的時候，默認(rèn)情況下會有 6 個線程：

• Redis-server ：Redis的主線程，主要負(fù)責(zé)執(zhí)行命令；
• bio_close_file、bio_aof_fsync、bio_lazy_free：三個后臺線程，分別異步處理關(guān)閉文件任務(wù)、AOF刷盤任務(wù)、釋放內(nèi)存任務(wù)；
• io_thd_1、io_thd_2、io_thd_3：三個 I/O 線程，io-threads 默認(rèn)是 4 ，所以會啟動 3（4-1）個 I/O 多線程，用來分擔(dān) Redis 網(wǎng)絡(luò) I/O 的壓力。?