Redis高级｜Redis单线程VS多线程（基础）

面试题

• Redis到底是单线程还是多线程？
• IO多路复用听说过吗？
• Redis为什么这么快？

Redis为什么选择单线程

• 其实Redis单线程这个问法并不严谨，为什么这么说呢？
• Redis的版本很多3.x、4.x、6.x，版本不同架构也是不同的，不限定版本问是否单线程也不太严谨。
  1. 版本3.x ，最早版本，也就是大家口口相传的redis是单线程。
  2. 版本4.x，严格意义来说也不是单线程，而是负责处理客户端请求的线程是单线程，但是开始加了点多线程的东西(异步删除)。—貌似
  3. 2020年5月版本的6.0.x后及2022年出的7.0版本后，告别了大家印象中的单线程，用一种全新的多线程来解决问题。—实锤
• 有几个里程碑式的重要版本：5.0版本是直接升级到6.0版本，对于这个激进的升级，Redis之父antirez表现得很有信心和兴奋，所以第一时间发文来阐述6.0的一些重大功能 “Redis 6.0.0 GA is out!”。当然，Redis7.0后版本更加厉害。

• 为什么Redis会选择单线程？通常说，Redis是单线程究竟何意？
• 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，Redis在处理客户端的请求时包括获取(socket 读)、解析、执行、内容返回(socket 写) 等都由一个顺序串行的主线程处理，这就是所谓的“单线程”。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RDB、AOF、异步删除、集群数据同步等等，其实是由额外的线程执行的。Redis 命令工作线程是单线程的，但是，整个Redis来说，是多线程的。
• Redis最核心的功能是对外提供键值存储服务，也就是客户端发请求，Redis执行请求，返回结果。
• 这个过程中的主要步骤是：
  1. 从 socket 读取请求
  2. 解析协议
  3. 执行命令（比如 GET、SET、ZADD 等操作 Redis 内存中的数据结构）
  4. 把结果通过 socket 写回客户端
• 上述整个流程是由 一个线程（主线程）串行完成的，不会有多个线程同时操作内存中的数据结构，因此 Redis 命令执行过程天然是“原子性”的，不需要加锁。
• 所以说 Redis 是单线程，特指这一条主流程（命令执行流程）是单线程。

• 请说说演进变化情况？
• Q：Redis3.X单线程时代但是性能依旧很快的主要原因？
• A：回答如下：
  • 基于内存操作: Redis 的所有数据都存在内存中，因此所有的运算都是内存级别的，所以他的性能比较高；
  • 数据结构简单:Redis 的数据结构是专门设计的，而这些简单的数据结构的查找和操作的时间大部分复杂度都是 0(1)，因此性能比较高；
  • 多路复用和非阻塞 I/O: Redis使用 I/O多路复用功能来监听多个 socket连接客户端，这样就可以使用一个线程连接来处理多个请求，减少线程切换带来的开销，同时也避免了 I/O 阻塞操作；
  • 避免上下文切换:因为是单线程模型，因此就避免了不必要的上下文切换和多线程竞争，这就省去了多线程切换带来的时间和性能上的消耗，而且单线程不会导致死锁问题的发生。
• 作者原话使用单线程原因，官网证据：https://redis.io/docs/getting-started/faq/
• 旧版本Redis官网说明，说Redis就是单线程：

• Redis是单线程的。
• 如何利用多个CPU /内核? CPU并不是您使用Redis的瓶颈，因为通常Redis要么受内存限制，要么受网络限制。例如，使用在平均Linux系统上运行的流水线Redis每秒可以发送一百万个请求，因此，如果您的应用程序主要使用O(N)或O(log(N) )命令，则几乎不会使用过多的CPU。但是，为了最大程度地利用CPU，您可以在同一框中启动多个Redis实例，并将它们视为不同的服务器。在某个时候，单个盒子可能还不够，因此，如果您要使用多个CPU，则可以开始考虑更早地进行分片的某种方法。您可以在“分区”页面中找到有关使用多个Redis实例的更多信息。但是，在Redis 4.0中，我们开始使Redis具有更多线程，目前，这仅限于在后台删除对象，以及阻正通过Redis模块实现的命令。对于将来的版本，计划是使Redis越来越线程化。
• 大体意思是说： Redis 是基于内存操作的，因此他的瓶颈可能是机器的内存或者网络带宽而并非 CPU，既然 CPU 不是瓶颈，那么自然就采用单线程的解决方案了，况且使用多线程比较麻烦。但是在 Redis 4.0 中开始支持多线程了，例如后台删除、备份等功能。
• 新版本Redis官网原话，去掉了单线程的：

• Redis4.0之前一直采用单线程的主要原因有以下三个：
  • 使用单线程模型是 Redis 的开发和维护更简单，因为单线程模型方便开发和调试;
  • 即使使用单线程模型也并发的处理多客户端的请求，主要使用的是IO多路复用和非阻塞IO；
  • 对于Redis系统来说，主要的性能瓶颈是内存或者网络带宽而并非 CPU。

为什么逐渐加入多线程特性

• 单线程也有苦恼，举个例子：
• 正常情况下使用 del 指令可以很快的删除数据，而当被删除的 key 是一个非常大的对象时，例如key包含了成千上万个元素的 hash 集合时，那么 del 指令就会造成 Redis 主线程卡顿。
• 这就是redis3.x单线程时代最经典的故障，big key删除的头疼问题，由于由于redis是单线程的，del bigKey …等待很久这个线程才会释放，类似加了一个synchronized锁，你可以想象高并发下，程序堵成什么样子?
• 如何解决？
• 使用惰性删除可以有效的解决性能问题。
• 案例：比如当 Redis 需要删除一个很大的数据时，因为是单线程原子命令操作，这就会导致 Redis 服务卡顿，于是在 Redis 4.0 中就新增了多线程的模块，当然此版本中的多线程主要是为了解决删除数据效率比较低的问题的。

unlink key
flushdb async
flushall async

• 上面三条指令都是 Redis 里用于删除键或清空数据库的命令，它们有一个共同特点：把删除工作交给了后台的子线程异步删除数据，都可以异步删除，不会阻塞主线程，大大减少对 Redis 性能的影响。
• 因为Redis是单个主线程处理，redis之父antirez一直强调 “Lazy Redis is better Redis”。
• 而 lazy free 的本质就是把某些cost（主要时间复杂度，占用主线程cpu时间片）较高删除操作，从redis主线程剥离让bio子线程来处理，极大地减少主线阻塞时间。从而减少删除导致性能和稳定性问题。
• 什么是 Lazy Free？Lazy Free（延迟释放/惰性释放）是 Redis 4.0 引入的一个删除策略优化。它不是改变“逻辑删除”过程，主线程依然快速 取消引用，而是把真正释放内存的过程放到后台线程（bio 子线程）中完成。
• bio 是什么？bio = Background I/O。它是 Redis 内部实现的一个后台 I/O 线程机制，专门用来做一些耗时、不可阻塞主线程的 I/O 操作，避免影响 Redis 主线程的实时性能。bio 不是操作系统的 BIO/Buffered I/O 概念，Redis 里的 bio 是一个模块，管理一组后台 worker 线程。
• 在Redis4.0就引入了多个线程来实现数据的异步惰性删除等功能但是其处理读写请求的仍然只有一个线程，所以仍然算是狭义上的单线程。

Redis6、Redis7的多线程特性和IO多路复用入门

• 前面我们已经提到，对于Redis主要的性能瓶颈是内存或者网络带宽而并非 CPU。
• 所以Redis的瓶颈可以初步定为：网络IO。
• Redis6/7，真正的多线程登场，在Redis6/7中，非常受关注的第一个新特性就是多线程。
• 这是因为，Redis一直被大家熟知的就是它的单线程架构，虽然有些命令操作可以用后台线程或子进程执行（比如数据删除、快照生成、AOF重写），但是从网络IO处理到实际的读写命令处理，都是由单个线程完成的。
• 随着网络硬件的性能提升，Redis的性能瓶颈有时会出现在网络IO的处理上，也就是说，单个主线程处理网络请求的速度跟不上底层网络硬件的速度。
• 为了应对这个问题：采用多个IO线程来处理网络请求，提高网络请求处理的并行度，Redis6/7就是采用的这种方法。
• 但是，Redis的多IO线程只是用来处理网络请求的，对于读写操作命今Redis仍然使用单线程来处理。这是因为，Redis处理请求时，网络处理经常是瓶颈，通过多个IO线程并行处理网络操作，可以提升实例的整体处理性能。而继续使用单线程执行命今换作，就不用为了保证Lua脚本、事各的原子性，额外开发多线程互斥加锁机制了（不管加锁操作处理），这样一来，Redis线程模型实现就简单了。
• 主线程和IO线程怎么协作完成请求处理的——四个阶段：

• 这张图其实是一个典型的服务端 I/O 多线程处理流程图，它分为主线程和IO线程两部分，配合右侧文字说明，其实描述的是一种请求处理模型，通常用在高性能服务器里。

• 当有客户端请求到达时，主线程只是负责接收请求，然后把 Socket 交给 IO 线程来处理实际的读写，主线程避免被 IO 阻塞。

• 主线程做轻量工作 → IO 线程做重活（读数据、业务处理）→ 主线程继续执行其他请求。

• 主线程部分（左侧）：

  1. 接收连接请求：主线程监听端口，有客户端连接就 accept，拿到一个 Socket。
  2. 将 Socket 放入全局等待队列：把新建立的 Socket 放到一个全局队列里（防止处理不过来导致丢包或阻塞主线程）。
  3. 以轮询方式将 Socket 连接分配给 IO 线程：主线程把队列里的 Socket 按轮询或者负载均衡分配给 IO 线程。
  4. 等待 IO 线程完成读取和数据解析：分配完之后，主线程等待 IO 线程完成对这个 Socket 的数据读取 + 解析。
  5. 执行请求命令操作：IO 线程解析出具体的请求（比如用户要查数据库），交给主线程来做业务处理。
  6. 请求命令操作执行完成：主线程完成业务处理，响应发回客户端。

• IO 线程部分（右侧）：

  1. 开始执行：主线程分配 Socket 后，IO 线程接管。
  2. 绑定线程：IO 线程“绑定”到这个 Socket，负责读数据。
  3. 读取 Socket 数据 + 解析：IO 线程读取 Socket 中的数据，解析出请求内容。
  4. 并行/异步执行请求：根据需要，可能直接执行请求，也可能转交回主线程执行。
  5. 请求完成：IO 线程标记请求处理完成，准备处理下一个。

• 阶段一：主线程主要负责建立连接，拿到 Socket，放到等待队列，交由 IO 线程处理。

• 阶段二：IO 线程处理 Socket 数据读取，避免主线程阻塞。

• 阶段三：IO 线程完成解析后，主线程或者 IO 线程执行请求（通常是主线程做复杂业务逻辑）。

• 阶段四：IO 线程完成请求处理后 Socket 解绑，准备下一个请求。

客户端请求进来↓
主线程 accept → 得到 Socket↓
放入等待队列 or 直接分配给 IO 线程↓
IO 线程绑定 Socket，开始 read↓
读数据 → 解析请求 → 处理请求（可能交主线程/业务线程池处理）↓
写响应 → 关闭/复用 Socket

• 主线程 接收连接 + 分发任务，不阻塞

• IO 线程 处理 IO + 解析协议 + 执行请求

• 主线程 只负责高性能接入，避免自己被任何一个慢请求卡死

• 这个模型中，主线程只负责接收新连接并分发 Socket 给 IO 线程，主线程自身不做耗时 IO 操作；IO 线程负责绑定 Socket，完成数据的读写、请求解析和响应发送，通过这种分工实现高并发、高性能处理，主线程始终保持“轻盈”，不会被单个慢请求拖慢整体性能。

• 主线程负责接入和分发，IO 线程负责读写和处理，解耦接入与IO，提升系统吞吐量。

• 主线程只负责连接接入和 socket 分发，IO 线程独立负责 socket 的读写和请求处理，主线程永远不阻塞等待 IO 线程结果，IO 线程直接写回客户端响应。

• Unix网络编程中的五种IO模型：

  • Blocking IO - 阻塞IO
  • NoneBlocking IO - 非阻塞IO
  • IO multiplexing - IO 多路复用
    • Linux世界一切皆是文件
    • 文件描述符，简称FD，句柄。FileDescriptor：文件描述符 (File descriptor)是计算机科学中的一个术语，是一个用于表述指向文件的引用的抽象化概念。文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上，它是一个索引值，指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中，文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统
    • 首次浅谈IO多路复用，IO多路复用是什么？一种同步的IO模型，实现一个线程监视多个文件句柄,一旦某个文件句柄就绪就能够通知到对应应用程序进行相应的读写操作，没有文件句柄就绪时就会阻塞应用程序从而释放CPU资源
    • 概念：
      • l/O：网络I/O，尤其在操作系统层面指数据在内核态和用户态之间的读写操作
      • 多路：多个客户端连接(连接就是套接字描述符，即 socket 或者 channel)
      • 复用：复用一个或几个线程
      • lO多路复用：也就是说一个或一组线程处理多个TCP连接，使用单进程就能够实现同时处理多个客户端的连接，无需创建或者维护过多的进程/线程
      • 一句话：一个服务端进程可以同时处理多个套接字描述符
      • 实现IO多路复用的模型有3种: 可以分 select -> poll -> epoll 三个阶段来描述
  • signal driven IO - 信号驱动IO
  • asynchronous IO - 异步IO

• 场景体验，说人话引出epoll

• 场景解析：模拟一个tcp服务器处理30个客户socket。 假设你是一个监考老师，让30个学生解答一道竞赛考题，然后负责验收学生答卷，你有下面几个选择:

  • 第一种选择(轮询)：按顺序逐个验收，先验收A，然后是B，之后是C、D…这中间如果有一个学生卡住，全班都会被耽误,你用循环挨个处理socket，根本不具有并发能力。
  • 第二种选择(来一个new一个，1对1服)：你创律30个分身线程，每个分身线程检查一个学生的答案是否正确。这种类似于为每一个用户创建一个进程或者线程处理连接。
  • 第三种选择(响应式处理，1对多服务)：你站在讲台上等，谁解答完谁举手。这时C、D举手，表示他们解答问题完毕，你下去依次检查C、D的答案然后继续回到讲台上等。此时E、A又举手，然后去处理E和A…这种就是IO复用模型。 Linux下的select、poll和epoll就是干这个的。

• IO多路复用模型，简单明了版理解：

• 将用户socket对应的文件描述符(FileDescriptor)注册进epoll，然后epoll帮你监听哪些socket上有消息到达，这样就避免了大量的无用操作。此时的socket应该采用非阻塞模式。这样，整个过程只在调用select、poll、epoll这些调用的时候才会阻塞，收发客户消息是不会阻塞的，整个进程或者线程就被充分利用起来，这就是事件驱动，所谓的reactor反应模式。

• 在单个线程通过记录跟踪每一个Sockek(I/0流)的状态来同时管理多个I/0流，一个服务端进程可以同时处理多个套接字描述符。 目的是尽量多的提高服务器的吞吐能力。 大家都用过nginx，nginx使用epoll接收请求，ngnix会有很多链接进来，epoll会把他们都监视起来，然后像拨开关一样，谁有数据就拨向谁然后调用相应的代码处理。redis类似同理，这就是IO多路复用原理，有请求就响应，没请求不打扰。
• 小总结：只使用一个服务端进程可以同时处理多个套接字描述符连接
• 面试题：redis为什么这么快？
• IO多路复用+epoll函数使用，才是redis为什么这么快的直接原因，而不是仅仅单线程命令+redis安装在内存中。
• 简单说明：
  • Redis工作线程是单线程的，但是，整个Redis来说，是多线程的；
  • 主线程和IO线程怎么协作完成请求处理的-精简版
  • I/O 的读和写本身是堵塞的，比如当 socket 中有数据时，Redis 会通过调用先将数据从内核态空间拷贝到用户态空间，再交给 Redis 调用，而这个拷贝的过程就是阻塞的，当数据量越大时拷贝所需要的时间就越多，而这些操作都是基于单线程完成的。
  • 从Redis6开始，就新增了多线程的功能来提高 I/O 的读写性能，他的主要实现思路是将主线程的 I/O 读写任务拆分给一组独立的线程去执行，这样就可以使多个 socket 的读写可以并行化了，采用多路 I/0 复用技术可以让单个线程高效的处理多个连接请求 (尽量减少网络IO的时间消耗》，将最耗时的Socket的读取、请求解析、写入单独外包出去，剩下的命令执行仍然由主线程串行执行并和内存的数据交互。
  • 结合图可知，网络IO操作就变成多线程化了，其他核心部分仍然是线程安全的，是个不错的折中办法。

• 结论：Redis6 -> 7将网络数据读写、请求协议解析通过多个IO线程的来处理，对于真正的命令执行来说，仍然使用主线程操作，一举两得

• Redis 的基本 IO 处理模型：

  • Redis 设计目标是简单、可预期延迟，不是极端追求高并发吞吐。
  • 主线程 完成所有命令处理，保证线程安全。
  • IO 线程只辅助做socket 的读/写，不会改内部数据结构（否则要加锁）。

• Redis 的标准工作流程（Redis 6.0 之后支持 IO 多线程，之前完全单线程）：

  • 没有启用 IO 多线程：完全单线程 → 非常简单、性能也很好（因为 Redis 是内存数据库，命令快，单线程足够）。
  • 启用 IO 多线程（从 Redis 6.0 开始，可以配置 io-threads）：Redis 启用 IO 多线程后，分成两部分——1、IO 线程：负责 read/write socket，但是不解析命令、不执行命令。2、主线程：执行所有命令逻辑，改 Redis 内部状态。

# 没有启用 IO 多线程
主线程:accept socketread socket → 解析协议 → 执行命令 → write socket# 启用 IO 多线程
主线程:accept socketdispatch read 任务给 IO 线程IO 线程:read socket 数据 → 把读到的请求 buffer 交回主线程主线程:解析协议 → 执行命令 → 生成响应主线程:dispatch write 任务给 IO 线程IO 线程:write socket 返回响应

• 解析协议 + 执行命令，Redis 仍然是主线程干！IO 线程只是做纯 IO 操作（read socket → 填 buffer，write socket → 发送响应）。
• 为什么这样设计？保证 Redis 内部数据结构始终只被主线程访问，完全避免加锁。只用多线程加速网络 IO 部分，不影响主线程的数据一致性。
• 主线程负责解析命令 + 执行命令 + 生成响应，I/O 线程（如果启用）只负责读 socket 到 buffer、把 buffer 里的结果写回 socket，不参与解析和执行逻辑。

Redis7多线程

• 如果你在实际应用中，发现Redis实例的CPU开销不大但吞吐量却没有提升，可以考虑使用Redis7的多线程机制，加速网络处理，进而提升实例的吞吐量
• Redis7将所有数据放在内存中，内存的响应时长大约为100纳秒，对于小数据包，Redis服务器可以处理8W到10W的QPS。
• 这也是Redis处理的极限了，对于80%的公司来说，单线程的Redis已经足够使用了。

• 设置 io-thread-do-reads 配置项为yes，表示启动多线程。
• 设置线程个数。关于线程数的设置，官方的建议是如果为4核的CPU，建议线程数设置为2或3，如果为8核CPU建议线程数设置为6，安程数一定要小于机器核数，线程数并不是越大越好。
• 总结：
  • Redis自身出道就是优秀，基于内存操作、数据结构简单、多路复用和非阻塞I/O、避免了不必要的线程上下文切换等特性，在单线程的环境下依然很快；
  • 但对于大数据的 key删除还是卡顿厉害，因此在Redis 4.0引入了多线程 unlink key / flushall async 等命令，主要用于Redis 数据的异步删除；
  • 而在Redis6/7中引入了I/O多线程的读写，这样就可以更加高效的处理更多的任务了，Redis只是将I/O读写变成了多线程，而命令的执行依旧是由主线程串行执行的，因此在多线程下操作 Redis不会出现线程安全的问题。
  • Redis无论是当初的单线程设计，还是如今与当初设计相背的多线程，目的只有一个：让 Redis变得越来越快。