浅谈为什么单线程的Redis那么快

redis单机QPS

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

在自己的电脑上测试SET和LPUSH10万次,可以发现每秒SET和LPUSH大概在8w多,接近官方说的单机10w qps的写。

为什么这么快
内存型数据库

redis完全是基于内存的,绝大部分请求是纯粹的内存操作,所以非常快速。

简单的数据结构

redis目前支持5种数据类型(string、list、hash、set、zset),数据结构相对简单,操作起来也相对快速。

sds数据结构

对于string来说,redis采用SDS方式来组织数据:

51491754-7C7A-0A17-FFC1-485E332985AD.png 这种数据的核心思想就是空间换时间

  1. 空间预分配:当空间扩展时,不仅分配所需空间,还会分配额外的空间
  • 分配后sds长度小于1M,那么也分配同样大小的额外空间,假设一个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,那么额外固定分配1M,假设修改后len=30M,分配free=1M,最后buf=30M+1M+1byte
  1. 惰性空间释放
  • 假设有个len=13free=13的字符串,这时候如果字符变短了len=10,那么额外的3个byte的空间也不会回收,先放在free里面,这时候free=16

通过这种分配方式,某些场景下可以减少内存申请的次数,从而达到一定的快速

跳跃表

redis的有序集合,采用的跳跃表的数据结构,通过层来加快访问其他节点

C2F72639-8F4D-F4BB-F749-FD4119CBF1C8.png 每个节点会随机一个层高,比如o1节点可以通过L4层直接跳到o3,跨度是2,redis的有序集合就是通过这种方式来加快节点之间的访问的。

单线程

redis采用单线程模型,单线程的好处在于避免了多线程对数据竞争的问题,加锁的问题,上下文切换的问题。

据官方解释,redis的瓶颈不在cpu,而在内存或者网络的带宽,综合考虑然后就采用了单线程。这里说的单线程是指处理网络请求时只是用一个线程,redis本身在持久化的时候还是会用到额外的线程的。

redis4.0的多线程

redis4.0开始也支持了多线程,当然只是针对部分命令采用的是多线程,例如:UNLINKFLUSHALLASYNCFLUSHDB。引入这些的目的是:在某些情况下,尽可能的提升效率,假设有一个key大到几十M,这时DEL这个key的时候,可能会短暂的阻塞,这时如果用unlink来删除,刚开始只是删除这个key,真正的value是后台线程去删除的。

IO多路复用

redis采用了非阻塞的IO多路复用技术。redis本身就是一个事件驱动程序,redis把socket抽象成文件事件。这里说的IO多路复用就是文件事件处理器以单线程的方式,来监听相关的套接字(accept、read、write、close)。

9F305D56-160D-D846-930C-2C01F8D34150.png 由于IO多路复用程序是一个单线程,那么当多个socket到来时,肯定要排队,它们总是以队列的方式顺序地处理。

C10K问题

在没有IO多路复用的时候,假设现在有10000个客户端连接(fd1-10000),但是只有1个客户端有发数据,然而计算机并不知道哪个fd有数据,只能遍历10000次,每次都要陷入内核,开销比较大,而且实际上9999次都是浪费的。

IO多路复用

IO多路复用的意思就是多个网路IO即为多个TCP连接 复用一个进程或者线程,这种模型最大的好处就是不用为每个连接创建一个进程或者线程。比较经典的模型就是 selectpollepoll

  1. select:select(fds),一次性把fds交给内核,然后内核告诉哪些fd可读可写(内核自己遍历,而不用用户遍历,将多次的系统调用变成1次系统调用)。fds最大是1024,这也决定了select模型最大并发是1024。
  2. poll:和select差不多,只不过并发不止1024了,可以更多
  3. epoll: select和poll的缺点是内核遍历的时间复杂度是O(n),虽然用户态不用遍历了,减少了陷入内核的次数,但是内核还是要遍历的。epoll的优点就是内核也不需要遍历了,当用户把fds传给内核时,然后依赖硬件中断,比如当网卡有数据到来时,就会中断告诉cpu,cpu就知道哪个fd有数据到达了。

redis默认采用epoll,除非系统不支持。

总结
  1. redis是内存型数据库
  2. redis特殊的数据结构
  3. 单线程避免锁的竞争
  4. io多路复用

以上4点是单线程redis快的主要原因。

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