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Redis是单线程的，为啥那么快呢？经典问题

news 2025/9/5 17:51:13

1. Redis 6.0 之前 —— 纯单线程模型的极致优化

1.1 单线程负责内容：

1.2 单线程外异步执行的情况

1.3 Redis高性能的四大核心原因

2. Redis 6.0+ —— 多线程I/O的进一步优化

2.1 Redis 6.0引入了多线程网络I/O来解决

2.2 为什么这么设计？

2.3 配置方式：

3. 总结：Redis快的本质（表格速记）

3.1 作为Java工程师的启示

下面和大家一起深入剖析Redis为什么单线程还这么快。我们需要区分版本来看待，Redis 6.0是一个重要的分水岭。

1. Redis 6.0 之前 —— 纯单线程模型的极致优化

重要：Redis的“单线程”指的是处理客户端请求的核心流程（网络I/O + 命令执行）是单线程的（不包括后台持久化、删除等线程）！！！

1.1 单线程负责内容：

接收客户端连接（accept）
读取网络数据（read）
解析命令
执行命令（核心逻辑）
返回结果（write）

1.2 单线程外异步执行的情况

持久化（fork子进程做RDB）
异步删除（unlink、flushall async）
AOF刷盘线程

1.3 Redis高性能的四大核心原因

1. 纯内存操作，速度极快

数据完全存放在内存中，所有的操作都是对内存的读写。内存的随机访问速度（纳秒级）远远快于磁盘（毫秒级），这是Redis达到超高吞吐量的物质基础。

2. 高效的数据结构

Redis内置了多种精心优化的数据结构，如SDS（简单动态字符串）、跳跃表、压缩列表等。这些数据结构的设计在时间和空间上都有很高的效率，使得数据操作的本身开销非常小。

Redis为每种数据类型选择了最优的底层数据结构，保证操作尽可能快：

Redis数据类型	底层数据结构	时间复杂度
String	SDS（动态字符串）	O(1)
List	压缩列表（ziplist） / 快速列表（quicklist）	O(1) 头尾操作
Hash	压缩列表 / 哈希表（hashtable）	O(1)
Set	整数集合（intset） / 哈希表	O(1)
Sorted Set	跳跃表（skiplist） + 哈希表	O(log N)

这些结构在设计上做了大量优化，比如：

SDS
预分配内存，避免频繁扩容
ziplist
紧凑存储，节省内存
skiplist
平衡查找与插入性能

3. 单线程模型的巨大优势（核心）

避免锁竞争和上下文切换：这是最关键的一点。多线程虽然能利用多核，但会引入激烈的锁竞争来保证数据一致性。频繁的加锁、释放锁，以及线程上下文切换会消耗大量CPU时间。Redis的单线程模型完全避免了这些问题，没有了锁的开销，CPU不用在多个线程间来回切换，可以将所有的算力都用于处理命令，在核心频率更高的CPU上表现更好。
天然的原子性：所有命令都是按顺序串行执行的，无需额外保证，绝不会出现并发问题，简化了系统设计。

多线程问题	Redis单线程如何避免
上下文切换	无切换，CPU专注执行
锁竞争	无需加锁（如 `INCR` 原子操作）
死锁、竞态条件	完全不存在
线程创建/销毁开销	无

✅ 单线程让Redis实现简单、可维护性强，且性能可预测。

4. I/O 多路复用技术 (I/O Multiplexing)

这是单线程能处理高并发连接的神器。单线程并不意味着会阻塞。
原理：通过系统调用（如Linux的epoll），一个线程可以同时监听成千上万个客户端Socket。
工作流程：
1. 线程阻塞在epoll_wait调用上，等待任何一个Socket变得可读/可写。
2. 当有事件发生时（例如客户端发送了一个命令），epoll_wait返回，线程开始处理这些就绪的Socket。
3. 它快速地从Socket中读取命令、执行、然后将结果写入输出缓冲区。
这样，单个线程就像是一个“高效的调度员”，只在有实际工作要做的时候才去工作，而不是盲目地轮询或为每个连接创建一个线程，极大地提升了CPU的利用效率。

重要：什么是I/O多路复用？

允许一个线程同时监听多个Socket连接。
使用系统调用如 epoll（Linux）、kqueue（BSD）、select。
当某个Socket有数据可读/可写时，内核通知Redis。

工作流程（Reactor模式）：

客户端1 ----\\
客户端2 ----- Redis主线程（I/O多路复用 + 事件循环）/
客户端3 ----/

主线程通过 epoll 监听所有客户端Socket
当某个Socket有数据到达，epoll 返回就绪事件
主线程依次处理这些事件（读取、解析、执行、写回）
所有操作在同一个线程内串行执行

✅ 这种方式避免了为每个连接创建线程，极大降低了资源消耗。

2. Redis 6.0+ —— 多线程I/O的进一步优化

虽然epoll是高效的，但从Socket读取数据（读）和将数据写回Socket（写）这个过程本身仍然是同步的，并且需要占用CPU时间。随着网络硬件性能提升（万兆网卡普及），以及应用对性能的极致追求，网络I/O有时会成为单线程模型的瓶颈，特别是在需要高吞吐量的场景下。

2.1 Redis 6.0引入了多线程网络I/O来解决

设计非常巧妙和谨慎：

“多线程”用在何处？ 仅用于网络数据的读写和协议解析，而最核心的命令执行（操作内存数据）模块，仍然是单线程的。
工作流程：
1. 主线程通过I/O多路复用接收连接，并将就绪的Socket放入一个队列。
2. （Read 阶段：并行读取与解析）一组I/O线程（可配置数量）并行地从这些Socket中读取数据，并将原始数据解析成Redis命令。注意：它们只解析命令，绝不执行命令。
3. （Execute 阶段：主线程单线程执行 “命令”）解析好的命令被送入一个队列（主线程的全局请求队列”），等待主线程串行地获取并执行。
4. 命令执行完成后，需要返回的结果会被放入另一个队列。
5. （Write 阶段：IO 线程并行处理 “写响应”）I/O线程再次并行地从队列中取出结果，并将其写回（回写）到对应的Socket中，发送给客户端。
6. 最后：同步通知与资源清理：IO 线程完成写操作后，通过信号量通知主线程；主线程确认后，释放该 Socket 的临时资源（如缓冲区），等待下一次请求。

2.2 为什么这么设计？

目的：将最耗时的网络I/O操作并行化（尤其是大value传输），以释放主线程的压力。主线程可以更专注于、更快速地去执行命令。现代服务器CPU核数多，单线程无法充分利用多核。
守护核心优势：命令执行依然是单线程，这意味着Redis依然保留了无锁、原子性、无需上下文切换的所有优点。它只是给核心的单线程引擎加上了多涡轮增压（I/O线程）来处理进气和排气，引擎本身没变。

2.3 配置方式：

# redis.conf
io-threads-do-reads yes
io-threads 4  # 建议4~8核CPU用4线程

默认不启用多线程：Redis 6.0 中，多线程默认关闭，需通过配置 io-threads-do-reads yes 启用（io-threads 配置 IO 线程数量，默认 4）。

3. 总结：Redis快的本质（表格速记）

因素	说明
内存存储	数据在RAM，速度极快
高效数据结构	每种类型用最优结构实现
单线程模型	避免锁、切换、竞争开销
I/O多路复用	单线程处理高并发连接
纯C语言实现	接近底层，性能高
非阻塞I/O	不阻塞主线程，及时响应