【实战篇】Redis单线程架构的优势与不足

  
   很多人都遇到过这么一道口试题：Redis是单线程照旧多线程？这个问题既简单又复杂。说他简单是由于大多数人都知道Redis是单线程，说复杂是由于这个答案其实并不正确。
  

• 难道Redis不是单线程？我们启动一个Redis实例，验证一下就知道了。Redis安装摆设方式如下所示：
  

1. // 下载
2. wget https://download.redis.io/redis-stable.tar.gz
3. tar -xzvf redis-stable.tar.gz
4. // 编译安装
5. cd redis-stable
6. make
7. // 验证是否安装成功
8. ./src/redis-server -v
9. Redis server v=7.2.4

复制代码

• 接下来启动Redis实例，利用下令ps检察全部线程，如下所示：
  

1. // 启动Redis实例
2. ./src/redis-server ./redis.conf
4. // 查看实例进程ID
5. ps aux | grep redis
6. root     385806  0.0  0.0 245472 11200 pts/2    Sl+  17:32   0:00 ./src/redis-server 127.0.0.1:6379
8. // 查看所有线程
9. ps -L -p 385806
10.    PID    LWP TTY          TIME CMD
11. 385806 385806 pts/2    00:00:00 redis-server
12. 385806 385809 pts/2    00:00:00 bio_close_file
13. 385806 385810 pts/2    00:00:00 bio_aof
14. 385806 385811 pts/2    00:00:00 bio_lazy_free
15. 385806 385812 pts/2    00:00:00 jemalloc_bg_thd
16. 385806 385813 pts/2    00:00:00 jemalloc_bg_thd

复制代码

• 竟然有6个线程！不是说Redis是单线程吗？怎么会有这么多线程呢？
  

这6个线程的含义你大概不太了解，但是通过这个示例至少说明Redis并不是单线程。
01 Redis中的多线程

• 接下来我们逐个介绍上述6个线程的作用：
  
• redis-server：
  

主线程，用于接收并处置惩罚客户端请求。

• jemalloc_bg_thd
  

jemalloc 是新一代的内存分配器，Redis底层利用他管理内存。

• bio_xxx：
  

以bio前缀开始的都是异步线程，用于异步执行一些耗时任务。其中，线程bio_close_file用于异步删除文件，线程bio_aof用于异步将AOF文件刷到磁盘，线程bio_lazy_free用于异步删除数据（懒删除）。
须要说明的是，主线程是通过队列将任务分发给异步线程的，而且这一操纵是须要加锁的。主线程与异步线程的关系如下图所示：

• 主线程与异步线程
  这里我们以懒删除为例，讲解为什么要利用异步线程。Redis是一款内存数据库，支持多种数据范例，包罗字符串、列表、哈希表、聚集等。思索一下，删除（DEL）列表范例数据的流程是怎样的呢？第一步从数据库字典中删除该键值对，第二步遍历并删除列表中的全部元素（开释内存）。想想如果列表中的元素数量非常多呢？这一步将非常耗时。这种删除方式称为同步删除，流程如下图所示：
  

• 同步删除流程图
  针对上述问题，Redis提出了懒删除（异步删除），主线程在收到删除下令（UNLINK）时，首先从数据库字典中删除该键值对，随后再将删除任务分发给异步线程bio_lazy_free，由异步线程执行第二步耗时逻辑。这时间的流程如下图所示：
  

• 懒删除流程图
  

02 I/O多线程

难道Redis是多线程？那为什么我们老说Redis是单线程呢？这是由于读取客户端下令请求，执行下令以及向客户端返回效果都是在主线程完成的。不然的话，多线程同时操纵内存数据库，并发问题如何解决？如果每次操纵之前都加锁，那和单线程又有什么区别呢？
当然这一流程在Redis6.0版本也发生了改变，Redis官方指出，Redis是基于内存的键值对数据库，执行下令的过程是非常快的，读取客户端下令请求和向客户端返回效果（即网络I/O）通常会成为Redis的性能瓶颈。
因此，在Redis 6.0版本，作者参加了多线程I/O的本领，即可以开启多个I/O线程，并行读取客户端下令请求，并行向客户端返回效果。I/O多线程本领使得Redis性能提升至少一倍。
为了开启多线程I/O本领，须要先修改设置文件redis.conf：

1. io-threads-do-reads yes
2. io-threads 4

复制代码

• 这两个设置含义如下：
  

io-threads-do-reads：是否开启多线程I/O本领，默认为"no"；
io-threads：I/O线程数量，默认为1，即只利用主线程执行网络I/O，线程数最大为128；该设置应该根据CPU核数设置，作者建议，4核CPU设置2~3个I/O线程，8核CPU设置6个I/O线程。

• 开启多线程I/O本领之后，重新启动Redis实例，检察全部线程，效果如下：
  

1. ps -L -p 104648
2.    PID    LWP TTY          TIME CMD
3. 104648 104648 pts/1    00:00:00 redis-server
4. 104648 104654 pts/1    00:00:00 io_thd_1
5. 104648 104655 pts/1    00:00:00 io_thd_2
6. 104648 104656 pts/1    00:00:00 io_thd_3
7. ……

复制代码

由于我们设置了io-threads即是4，以是会创建4个线程用于执行I/O操纵（包罗主线程），上述效果符合预期。

• 当然，只有I/O阶段才利用了多线程，处置惩罚下令请求照旧单线程，毕竟多线程操纵内存数据存在并发问题。
  
• 末了，开启了I/O多线程之后，下令的执行流程如下图所示：
  

I/O多线程流程图
03 Redis中的多进程

Redis另有多进程？是的。在某些场景下，Redis也会创建多个子进程来执行一些任务。以持久化为例，Redis支持两种范例的持久化：

• AOF（Append Only File）：可以看作是下令的日志文件，Redis会将每一个写下令都追加到AOF文件。
  
• RDB（Redis Database）：以快照的方式存储Redis内存中的数据。下令SAVE用于手动触发RDB持久化。想想如果Redis中的数据量非常大，持久化操纵一定耗时比力长，而Redis是单线程处置惩罚下令请求，那么当下令SAVE的执行时间过长时，一定会影响其他下令的执行。
  

下令SAVE有大概会阻塞其他请求，为此，Redis又引入了下令BGSAVE，该下令会创建一个子进程来执行持久化操纵，这样就不会影响主进程执行其他请求了。
我们可以手动执行下令BGSAVE验证。首先，利用GDB跟踪Redis进程，添加断点，让子进程阻塞在持久化逻辑。如下所示：

1. // 查询Redis进程ID
2. ps aux | grep redis
3. root     448144  0.1  0.0 270060 11520 pts/1    tl+  17:00   0:00 ./src/redis-server 127.0.0.1:6379
5. // GDB跟踪进程
6. gdb -p 448144
8. // 跟踪创建的子进程（默认GDB只跟踪主进程，需手动设置）
9. (gdb) set follow-fork-mode child
10. // 函数rdbSaveDb用于持久化数据快照
11. (gdb) b rdbSaveDb
12. Breakpoint 1 at 0x541a10: file rdb.c, line 1300.
13. (gdb) c
14. 设置好断点之后，使用Redis客户端发送命令BGSAVE，结果如下：
16. // 请求立即返回
17. 127.0.0.1:6379> bgsave
18. Background saving started
20. // GDB输出以下信息
21. [New process 452541]
22. Breakpoint 1, rdbSaveDb (...) at rdb.c:1300
23. 可以看到，GDB目前跟踪的是子进程，进程ID是452541。也可以通过Linux命令 ps 查看所有进程，结果如下：
25. ps aux | grep redis
26. root     448144  0.0  0.0 270060 11520 pts/1    Sl+  17:00   0:00 ./src/redis-server 127.0.0.1:6379
27. root     452541  0.0  0.0 270064 11412 pts/1    t+   17:19   0:00 redis-rdb-bgsave 127.0.0.1:6379

复制代码

可以看到子进程的名称是redis-rdb-bgsave，也就是该进程将全部数据的快照持久化在RDB文件。
问题

问题1：为什么采用子进程而不是子线程呢？
由于RDB是将数据快照持久化存储，如果采用子线程，主线程与子线程将会共享内存数据，主线程在持久化的同时还会修改内存数据，这有大概导致数据不同等。而主进程与子进程的内存数据是完全隔离的，不存在此问题。
问题2：假设Redis内存中存储了10GB的数据，在创建子进程执行持久化操纵之后，此时子进程也须要10GB的内存吗？复制10GB的内存数据，也会比力耗时吧？别的如果系统只有15GB的内存，还能执行BGSAVE下令吗？
这里有一个概念叫写时复制（copy on write），在利用系统调用fork创建子进程之后，主进程与子进程的内存数据暂时照旧共享的，但是当主进程须要修改内存数据时，系统会自动将该内存块复制一份，以此实现内存数据的隔离。

04 结论

   作者介绍
李乐：好未来Golang开发专家、西安电子科技大学硕士，曾就职于滴滴，乐于钻研技能与源码，合著有《高效利用Redis：一书学透数据存储与高可用集群》《Redis5计划与源码分析》《Nginx底层计划与源码分析》。
  ▼
  《高效利用Redis：一书学透数据存储与高可用集群》
  

    保举语：深入Redis数据结构与底层实现，攻克Redis数据存储与集群管理困难。
  Redis的进程模子/线程模子照旧比力复杂的，这里也只是简单介绍了部分场景下的多线程以及多进程，其他场景下的多线程、多进程另有待读者本身研究。

免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！更多信息从访问主页：qidao123.com:ToB企服之家，中国第一个企服评测及商务社交产业平台。