Redis之Redis为什么这么快解读

太过爱你忘了你带给我的痛 2023-10-15 18:43 11阅读 0赞

**目录**

前言

多路复用概述

阻塞 I/O 模型

非阻塞 I/O 模型

多路复用

redis为什么是单线程及为什么快的总结

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#### 前言 ####

当别人问我们Redis这么快的时候，很多小白都只会简简单单的回答，因为Redis它是基于内存存储的，使用内存存储数据，可以避免频繁的进行写盘操作，大大降低响应时间。这个确实是一个原因，但回答的还是不够面。起码在这里还得回答上高效的数据结构以及IO网络多路复用的设计架构。

#### 多路复用概述 ####

Redis 采用网络 I/O 多路复用技术，要想理解IO多路复用的话，还得去理解下阻塞 I/O 模型，非阻塞 I/O 模型。

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##### 阻塞 I/O 模型 #####

当用户线程发出 I/O 请求之后，内核会去查看数据是否就绪，如果没有就绪就会等待数据就绪，而用户线程就会处于阻塞状态（block），用户线程交出 CPU。当数据就绪之后，内核会将数据拷贝到用户线程，并返回结果给用户线程，用户线程才解除阻塞状态。

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##### 非阻塞 I/O 模型 #####

当用户线程发起一个 read 操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。如果结果是一个 error 时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送 read 操作。一旦内核中的数据准备好了，并且又再次收到了用户线程的请求，那么它马上就将数据拷贝到了用户线程，然后返回。

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> 用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪，非阻塞 I/O 不会交出 CPU，而会一直占用 CPU，从而导致 CPU 占用率非常高。

##### 多路复用 #####

**在多路复用 I/O 模型中，会有一个线程不断去轮询多个 socket 的状态，只有当 socket 真正有读写事件时，才真正调用实际的 I/O 读写操作**。因为在多路复用 I/O 模型中，只需要使用一个线程就可以管理多个 socket，系统不需要建立新的进程或者线程，也不必维护这些线程和进程，并且只有在真正有 socket 读写事件进行时，才会使用 I/O 资源，所以它大大减少了资源占用（如 CPU）。

> **“多路”**指的是多个网络连接客户端，**“复用”**指的是复用同一个线程(单进程)。

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> select / poll / epoll 就是三个内核提供给用户态的多路复用调用接口

**select**

select函数仅仅知道有几个I/O事件发生了，但并不知道具体是哪几个socket连接有I/O事件，还需要轮询去查找，时间复杂度为O(n)，处理的请求数越多，所消耗的时间越长。

**poll**

poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态， **但是它没有最大连接数的限制**，原因是它是基于链表来存储的

**epoll**

epoll可以理解为event pool，不同与select、poll的轮询机制，**epoll采用的是事件驱动机制**，每个fd上有注册有回调函数，当网卡接收到数据时会回调该函数，同时将该fd的引用放入rdlist就绪列表中。当调用epoll\_wait检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不为空，则把发生的事件复制到用户态，同时将事件数量返回给用户。

> select、poll采用轮询的方式来检查文件描述符是否处于就绪态，而epoll采用回调机制。造成的结果就是，随着fd的增加，select和poll的效率会线性降低，而epoll不会受到太大影响，除非活跃的socket很多

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th>select</th> 
   <th>poll</th> 
   <th>epoll</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>操作方式</td> 
   <td>遍历</td> 
   <td>遍历</td> 
   <td>回调</td> 
  </tr> 
  <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（x86）或者2048（x64）</td> 
   <td>无上限</td> 
   <td>无上限</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>最大支持文件描述符数</td> 
   <td>有最大值限制</td> 
   <td>65535</td> 
   <td>65535</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>fd拷贝</td> 
   <td>每次调用，都需要把fd结合从用户态拷贝到内核态</td> 
   <td>每次调用，都需要把fd结合从用户态拷贝到内核态</td> 
   <td>只有首次调用的时候拷贝</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>工作效率</td> 
   <td>每次都要遍历所有文件描述符，时间复杂度O（n）</td> 
   <td>每次都要遍历所有文件描述符，时间复杂度O（n）</td> 
   <td>每次只用遍历需要遍历的文件描述符，时间复杂度O（1）</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**为什么redis一定要部署在Linux机器上才能发挥出该性能？**

> 因为只有linux有epoll函数，其它系统会自动降级成select函数。

#### redis为什么是单线程及为什么快的总结 ####

1、Redis是纯内存数据库，一般都是简单的存取操作，线程占用的时间很多，时间的花费主要集中在IO上，所以读取速度快。  
2、Redis使用的是非阻塞IO、IO多路复用，使用了单线程来轮询描述符，将数据库的开、关、读、写都转换成了事件，减少了线程切换时上下文的切换和竞争。  
3、Redis采用了单线程的模型，保证了每个操作的原子性，也减少了线程的上下文切换和竞争。  
4、Redis避免了多线程的锁的消耗。  
5、Redis采用自己实现的事件分离器，效率比较高，内部采用非阻塞的执行方式，吞吐能力比较大。

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