淺談為什么單線程的redis那么快

更新時間：2021年09月15日 16:35:57 作者：假裝懂編程

本文主要介紹了為什么單線程的redis那么快，主要介紹了幾點原因，文中通過示例代碼介紹的非常詳細，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們可以參考一下

redis單機QPS

./redis-benchmark -t set,lpush -n 100000 -q
SET: 82101.80 requests per second
LPUSH: 82440.23 requests per second

在自己的電腦上測試SET和LPUSH10萬次，可以發(fā)現(xiàn)每秒SET和LPUSH大概在8w多，接近官方說的單機10w qps的寫。

為什么這么快

內(nèi)存型數(shù)據(jù)庫

redis完全是基于內(nèi)存的，絕大部分請求是純粹的內(nèi)存操作，所以非常快速。

簡單的數(shù)據(jù)結構

redis目前支持5種數(shù)據(jù)類型（string、list、hash、set、zset），數(shù)據(jù)結構相對簡單，操作起來也相對快速。

sds數(shù)據(jù)結構

對于string來說，redis采用SDS方式來組織數(shù)據(jù)：

這種數(shù)據(jù)的核心思想就是空間換時間

空間預分配：當空間擴展時，不僅分配所需空間，還會分配額外的空間

分配后sds長度小于1M，那么也分配同樣大小的額外空間，假設一個key修改后 len=13，那么也分配free=13，最后buf=13+13+1=27
如果分配后len大于等于1M，那么額外固定分配1M，假設修改后len=30M，分配free=1M，最后buf=30M+1M+1byte

惰性空間釋放

假設有個len=13，free=13的字符串，這時候如果字符變短了len=10，那么額外的3個byte的空間也不會回收，先放在free里面，這時候free=16

通過這種分配方式，某些場景下可以減少內(nèi)存申請的次數(shù)，從而達到一定的快速

跳躍表

redis的有序集合，采用的跳躍表的數(shù)據(jù)結構，通過層來加快訪問其他節(jié)點

每個節(jié)點會隨機一個層高，比如o1節(jié)點可以通過L4層直接跳到o3,跨度是2，redis的有序集合就是通過這種方式來加快節(jié)點之間的訪問的。

單線程

redis采用單線程模型，單線程的好處在于避免了多線程對數(shù)據(jù)競爭的問題，加鎖的問題，上下文切換的問題。
據(jù)官方解釋，redis的瓶頸不在cpu，而在內(nèi)存或者網(wǎng)絡的帶寬，綜合考慮然后就采用了單線程。這里說的單線程是指處理網(wǎng)絡請求時只是用一個線程，redis本身在持久化的時候還是會用到額外的線程的。

redis4.0的多線程

redis4.0開始也支持了多線程，當然只是針對部分命令采用的是多線程，例如：UNLINK、FLUSHALL 、ASYNC、FLUSHDB。引入這些的目的是：在某些情況下，盡可能的提升效率，假設有一個key大到幾十M，這時DEL這個key的時候，可能會短暫的阻塞，這時如果用unlink來刪除，剛開始只是刪除這個key，真正的value是后臺線程去刪除的。

IO多路復用

redis采用了非阻塞的IO多路復用技術。redis本身就是一個事件驅(qū)動程序，redis把socket抽象成文件事件。這里說的IO多路復用就是文件事件處理器以單線程的方式，來監(jiān)聽相關的套接字（accept、read、write、close）。

由于IO多路復用程序是一個單線程，那么當多個socket到來時，肯定要排隊，它們總是以隊列的方式順序地處理。

C10K問題

在沒有IO多路復用的時候，假設現(xiàn)在有10000個客戶端連接（fd1-10000），但是只有1個客戶端有發(fā)數(shù)據(jù)，然而計算機并不知道哪個fd有數(shù)據(jù)，只能遍歷10000次，每次都要陷入內(nèi)核，開銷比較大，而且實際上9999次都是浪費的。

IO多路復用

IO多路復用的意思就是多個網(wǎng)路IO即為多個TCP連接復用一個進程或者線程，這種模型最大的好處就是不用為每個連接創(chuàng)建一個進程或者線程。比較經(jīng)典的模型就是 select、poll、epoll。

select：select(fds)，一次性把fds交給內(nèi)核，然后內(nèi)核告訴哪些fd可讀可寫（內(nèi)核自己遍歷，而不用用戶遍歷，將多次的系統(tǒng)調(diào)用變成1次系統(tǒng)調(diào)用）。fds最大是1024，這也決定了select模型最大并發(fā)是1024。
poll：和select差不多，只不過并發(fā)不止1024了，可以更多
epoll: select和poll的缺點是內(nèi)核遍歷的時間復雜度是O(n)，雖然用戶態(tài)不用遍歷了，減少了陷入內(nèi)核的次數(shù)，但是內(nèi)核還是要遍歷的。epoll的優(yōu)點就是內(nèi)核也不需要遍歷了，當用戶把fds傳給內(nèi)核時，然后依賴硬件中斷，比如當網(wǎng)卡有數(shù)據(jù)到來時，就會中斷告訴cpu，cpu就知道哪個fd有數(shù)據(jù)到達了。

redis默認采用epoll，除非系統(tǒng)不支持。