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Redis篇之redis是单线程

一、redis是单线程

        Redis是单线程的,但是为什么还那么快?主要原因有下面3点原因:

          1. Redis是纯内存操作,执行速度非常快。

          2. 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。

          3. 使用I/O多路复用模型,非阻塞IO。

二、I/O多路复用

        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。要解释I/O多路复用模型,需要从下面3个知识慢慢来:

        1. 用户空间和内核空间。

        2. 常见的IO模型:阻塞IO(Blocking IO)、非阻塞IO(Nonblocking IO)、IO多路复用(IO Multiplexing)。

        3. Redis网络模型。

三、用户空间和内核空间

1.作用

        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。

        1. 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。

        2. 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:

         1. 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。

         2. 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。

                 

2.会出现什么问题呢

        1. 当等待数据时,会浪费大量系统资源。

        2. 拷贝的过程比较繁琐。

 3.如何解决

        就是下面说到的IO模型。

四、常见的IO模型

1.阻塞IO模型

        顾名思义,阻塞IO就是两个阶段都必须阻塞等待:

        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 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。

        结论: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。

2.非阻塞IO模型

        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。

        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。

        总结: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。

3.IO多路复用

(1)基本原理

        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。

        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。

(2)其他通知方法

        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。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:

          1. 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。

          2. 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。

五、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。

        核心就是:IO多路复用+事件派发。

六、面试时候的回答

面试官:Redis是单线程的,但是为什么还那么快?

候选人:这个有几个原因吧,

1、完全基于内存的,C语言编写。

2、采用单线程,避免不必要的上下文切换可竞争条件。

3、使用多路I/O复用模型,非阻塞IO。

例如:bgsave 和 bgrewriteaof 都是在后台执行操作,不影响主线程的正常使用,不会产生阻塞

面试官:能解释一下I/O多路复用模型?

候选人:I/O多路复用是指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。目前的I/O多路复用都是采用的epoll模式实现,它会在通知用户进程Socket就绪的同时,把已就绪的Socket写入用户空间,不需要挨个遍历Socket来判断是否就绪,提升了性能。

其中Redis的网络模型就是使用I/O多路复用结合事件的处理器来应对多个Socket请求,比如,提供了连接应答处理器、命令回复处理器,命令请求处理器;

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