Redis 为什么这么快，你知道 I/O 多路复用吗？

今天我们讨论一下 redis 面试高频题，为什么 Redis 那么快？ 首先，你可以先想一下答案，我先说下大家普遍的答案： - 单线程 - 基于内存操作，速度快 - I/O 多路复用 相信很多人第一时间回答出来上面这些，那么面试官一般会接着问，所有的操作都是单线程吗？单线程为什么快呢，什么是 I/O 多路复用？很多人这个时候就会 G 了。 今天我们好好聊聊，首先我们要知道，我们常说的 Redis 是单线程，主要是指 Redis 在网络 I/O 和 键值的读写操作是有一个线程来完成的，但是其他的一些功能是由其他的线程来执行的，如： - 持久化数据落盘 - 集群主从同步 - 异步数据删除 所以严格来说，Redis 并不是单线程的。但是在面试中，我们可以先铺垫一下，如果面试官刨根问底，显然是不够的。 ### 1. Redis 为什么用单线程 日常开发中，我们接触都更多是多线程，为了能够提升系统的请求数或者是吞吐率，我们会采用多线程来实现。看下图： 为啥会出现预期和实际结果不一样的情况？其实是当出现多线程同时在操作一个共享的资源时，我们为了保证结果的正确性，我们需要有额外的开销来保证，如锁。当有锁出现了，我们就需要在考虑在什么时候需要获取锁，释放锁，其中就需要记录锁的状态，可想而知，性能就会下降。这就是多线程模式在面临高并发场景下共享资源的访问问题。 所以大家应该知道为啥 Redis 要用单线程了吧，我们接着来说说为什么单线程的 Redis 为啥能获得高性能的原因。 ### 2. 单线程 Redis 为什么那么快 我们正常理解下，多线程在处理能力上是要高于单线程的，但是为啥 Redis 的单线程模型却能达到惊人的每秒 10 万级别的处理能力呢？（采用百度百科） 这就是 Redis 在设计上的优秀之处。 实现高性能的一个方面是 Redis 是基于内存操作，它内部高效的数据结构，如跳表（[可以看看之前的文章,# 今天终于知道 Redis 为什么要用跳跃表了](https://juejin.cn/post/7149101822756519949)）哈希表等，还有就是 Redis 采用了 I/O多路复用机制，从而保障在网络 I/O 中能够高效的处理并发请求，实现高吞吐率。这二者是实现高性能的重要原因。 接下来就说说本文最重要的一个 **I/O 多路复用**机制。 ### 3. I/O 多路复用模型 在 Linux 中，我们都知道 Linux 对文件的操作实际上就是通过文件描述符（fd），通过一个进程监听多个文件描述符，一旦某个文件描述符准备就绪，就会通知对应的程序响应并处理，这种通知的方式优势在于在**单个时间内能够处理更多的链接。** Linux 中的 I/O 多路复用机制是指一个线程处理多个 IO 流，也就是我们通常说的 select/epoll。 在 Redis 单线中，允许在内核中同时存在多个监听文件描述符，内核会去监听在这上面的链接请求，一但有请求就会交给 Redis 线程处理，从而实现一个Redis 线程可以处理多个 IO 流。那么什么是 select、epoll？ #### 3.1 select **select** 是一个函数，它支持最大的连接数是 1024 或者 2048，因为在 select 函数需要传入fd_set 参数，这个 fd_set 的长度取决于操作系统的位数 1024 或者 2048。 其中 fd_set 是一个 bitmap，当数据没有到缓冲区那么就是 0， 反之到了缓冲区就是 1。select 函数的功能是将 fd_set 遍历，判断标识位是否存在变化，若发生变化就发起中断处理。 #### 3.2 epoll **epoll** 的首次提出是在 Linux 2.6 内核中，他是为了解决 select 的缺点。 它定义了 epoll_event 结构体来处理，解决 select 存在最大链接数的限制。epoll 不会遍历所有的文件描述符（fd），epoll 会将准备就绪的文件描述符维护在一块指定的空间内，每次从其中取出已经准备就绪的文件描述符进行处理，大大提高了性能。 这就是 select 和 epoll 的区别，想看具体的源码可以自行了解，这里只是简单的描述一下。 #### 3.3 Redis I/O 多路复用模型 在 Redis 中，其网络框架调用采用的是复用机制中的 epoll 机制，让内核监听文件描述符，此时 Redis 线程不会阻塞在某一个特定的监听或已连接的文件描述符，从而可以达到同时处理多个链接请求，提高并发性能。如下图，Redis I/O 多路复用模型：  为了当请求到达时会通知 Redis 线程， select/epoll 提供了基于事件的回调机制，即针对不同事件的发生，调用相应的处理函数。 说说回调机制时如何高效的工作的。当 select/epoll 监测到有文件描述符请求到达时，会发出对应的事件处理，这些事件会被放到一个事件处理队列中，然后 Redis 会对事件进行处理。通过对队列进行轮询，可以提高 CPU 利用率。同时，Redis 在处理事件时，会调用其相应的事件处理函数，实现基于事件的回调。最终使得请求能够第一时间及时响应，再一步提升 Redis 的相应性能。 举个发起读数据的例子，更好的理解上面 Redis I/O 多路复用模型。 当程序发起 Accept 和 Read 事件时， Redis 线程会注册这 Accept 和 Get 事件 对应的回调函数。当 Linux 内核监听到有链接请求或者读数据的请求时，会触发 Accept 和 Read 事件，与此同时调用 Redis 的 Accept 和 Get 函数进行数据处理。 ### 4. 总结 现在，我们知道啦，Redis 为什么快了吧。 Redis 单线程是指在网络 I/O 和 键值的读写操作是有一个线程来完成的，采用单线程的好处是避免了多线程并发需要竞争获取锁。单线程之所以性能高效是因为其选择了 I/O 多路复用模型。搞懂了 select/epoll 这这些，慢慢会发现自己会逐渐比身边的伙伴优秀一些。 好了，就到这，我是程序员祝融，欢迎关注，我们下期再见！