勇闯BAT 为什么Redis使用IO多路复用模型

布满荆棘的人生 2023-01-21 04:26 10阅读 0赞

> 当时做的笔记，现在找不到出处了，CSDN标记转载，必须要填写原地址，如果谁看到了 我立马改下 谢谢。

# Redis的IO模型 #

也许你会怀疑高并发的Redis申间件怎么可能是单线程。很抱歉，它就是单线程，你的怀疑暴露了你基础知识的不足。莫要瞧不起单线程，除了Redis之外，Node.js也是单线程，Nginx也是单线程，但是它们都是服务器高性能的典范。

**Redis单线程为什么还能这么快？**

因为它的所有数据都在内存中，所有的运算都是内存级别的运算。正因为Redis是单线程，所以要小心使用Redis指令，对于那些时间复杂度为O(n）级别的指令，一定要谨慎使用，否则一不小心就可能会导致Redis卡顿。Redis既然是单线程，如何能处理那么多的并发客户端连接？这个问题，很多中高级程序员都无法回答，因为他们没听过“多路复用”这个词汇，不知道select系列的事件轮询API，没用过非阻塞IO。

### Blocking I/O ###

传统阻塞io java默认的 io

### I/O 多路复用 ###

> 虽然还有很多其它的 I/O 模型，但是在这里都不会具体介绍。

阻塞式的 I/O 模型并不能满足这里的需求，我们需要一种效率更高的 I/O 模型来支撑 Redis 的多个客户（redis-cli），这里涉及的就是 I/O 多路复用模型了：

在 I/O 多路复用模型中，最重要的函数调用就是 `select`，该方法的能够同时监控多个文件描述符的可读可写情况，当其中的某些文件描述符可读或者可写时，`select` 方法就会返回可读以及可写的文件描述符个数。

> 关于 `select` 的具体使用方法，在网络上资料很多，这里就不过多展开介绍了；
> 
> 与此同时也有其它的 I/O 多路复用函数 `epoll/kqueue/evport`，它们相比 `select` 性能更优秀，同时也能支撑更多的服务。

## Reactor 设计模式 ##

Redis 服务采用 Reactor 的方式来实现文件事件处理器（每一个网络连接其实都对应一个文件描述符）

在了解`I/O多路复用`之前，我们可以先了解一下传统的`I/O`模型

*  `同步阻塞I/O模型`

首先，要从你常用的IO操作谈起，比如read和write，通常IO操作都是阻塞I/O的，也就是说当你调用read时，如果没有数据收到，那么线程或者进程就会被挂起，直到收到数据。`无法处理并发`。

*  `同步非阻塞IO模型`

当你调用read时，如果有数据收到，就返回数据，如果没有数据收到，就立刻返回一个错误，这样是不会阻塞线程了。此时用户进程需要不断轮询，如果轮询频繁，则浪费了大量的CPU资源；如果轮询频率低，则不能实时地获取数据。`过度浪费CPU资源`。

*  `异步IO模型`

当调用read时，不需要等到数据返回就可以继续去干别的事情，调用write的时候同理。但是`频繁的切换线程会出现浪费过多CPU资源`的问题。

##### 多路复用I/O模型 #####

这里"多路"指的是多个网络连接，"复用"指的是复用同一个线程。

多路复用I/O模型是一种同步I/O模型。实现一个线程监听多个文件句柄（也叫做文件描述符，FileDescription，简称FD），当有一个FD就绪时，则通知对应的应用程序进行读写操作。当没有FD就绪时，就会阻塞并交出CPU。

`多路复用I/O模型`是利用select、poll、epoll可以同时监察多个流的 I/O 事件的能力，在空闲的时候，会把当前线程阻塞掉，当有一个或多个流有I/O事件时，就从阻塞态中唤醒，于是程序就会轮询一遍所有的流（epoll是只轮询那些真正发出了事件的流），并且只依次顺序的处理就绪的流，这种做法就避免了大量的无用操作（比如多线程之间的切换，频换的切换线程会造成大量的资源浪费）。

采用多路 I/O 复用技术可以让单个线程高效的处理多个连接请求（尽量减少网络IO的时间消耗）。

##### Redis为什么要引入多路复用I/O技术 #####

`I/O多路复用`的本质是`同步阻塞I/O模型`，但是，它最大的优势在于可以在一次阻塞中监听多个文件描述符（FD）。我们带入redis的场景，来思考一下redis为什么使用`多路复用I/O技术`。

*  首先采用普通的`同步阻塞I/O`，那么Redis可能会在一个客户端上长期阻塞。该客户端可能长期没有数据到达，而Redis需要处理多个客户端的通信，当其他客户端有请求到达时，Redis则无法处理了，这显然是无法接受的。
 *  如果使用`同步非阻塞I/O`，那么就需要不断轮循客户端，那么这种频繁的轮循会很浪费CPU资源，如果轮循不频繁，那么可能就会出现数据不能实时获取的问题。
 *  如果使用 `异步IO模型`，线程的创建和频繁的上下文切换会浪费更多的资源。其次Redis本身就是单进程单线程的模式工作，多线程等待多个客户端显然与其系统思想不符。

综上，多路复用I/O技术是首选。

##### IO多路复用的三种实现方式 #####

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th>select</th> 
   <th>poll</th> 
   <th>epoll</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>数据结构</td> 
   <td>bitmap</td> 
   <td>数组</td> 
   <td>红黑树</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>最大连接数</td> 
   <td>1024</td> 
   <td>无</td> 
   <td>无</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>FD拷贝</td> 
   <td>每次调用select拷贝</td> 
   <td>每次调用poll拷贝</td> 
   <td>fd首次调用epoll_ctl拷贝，每次调用epoll_wait不拷贝</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>工作效率</td> 
   <td>轮询：O(n)</td> 
   <td>轮询：O(n)</td> 
   <td>回调：O(1)</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>