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。

             ![](https://img-blog.csdnimg.cn/direct/1128b4f91a0f4fbabe3127edb11c16d7.png)

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。