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关于多线程的Redis模型

news 2025/5/16 7:57:00

1、Redis 6.0 的线程模型

2、单线程模型

3、I/O模型和网络操作

3.1、I/O 线程的职责

3.2、Redis 主线程的角色

4、非阻塞I/O

4.1. 事件驱动模型

4.2. 多路复用

4.3. 非阻塞套接字

4.4. 处理流程

4.5. 优势

4.6. 适用场景

5、配置和使用注意点

Redis 在版本 6.0 中引入了多线程模型，以提升在某些场景下的性能，特别是在处理网络请求的阶段。

之前的版本，Redis 是单线程的，即所有的请求处理、I/O 操作、命令执行等都是在一个线程中串行进行的。虽然这种模型简化了开发并避免了锁带来的复杂性，但在一些 I/O 绑定的工作负载下，可能导致性能瓶颈。

如下图所示：

1、Redis 6.0 的线程模型

使用了非阻塞的 I/O 模型（基于事件驱动的方式）。

如下图所示：

1.多线程 I/O：

Redis 6.0 引入了多线程模型来处理网络 I/O，包括接收请求和发送响应。这部分工作由多个线程并行处理，以减轻主线程的负担。

多线程仅用于网络 I/O 的读写，而核心的命令请求解析、命令执行、数据修改等仍在主线程中进行。

2.线程安全：

因为 Redis 的核心数据结构操作仍由单线程管理，所以这减少了对数据一致性和线程安全的复杂性。

多线程处理的网络 I/O 是线程安全的，因为它主要涉及数据传输，而不直接改变 Redis 内部状态。

3.线程数量配置：

可以通过配置选项 io-threads 设置 I/O 线程的数量。例如在 redis.conf 中：

# redis.conf
io-threads-do-reads yes
io-threads 4

注意，线程数(不包括主线程)的设置需要与工作负载匹配，过多的线程可能导致线程争用，并可能增加上下文切换的开销。
io-threads-do-reads yes：启用多线程对输入请求的读取。
io-threads 4：设置四个 I/O 线程。这不包括主线程。

4.性能增强：

在高并发连接情况下，特别是对于连接数众多但单个请求处理时间较短的应用场景，多线程模型能够提升 Redis 的吞吐性能。

是一种优化 I/O 性能的手段，而对于计算密集型的任务，单线程模型的优势在于避免了锁开销。

5.I/O 模型细节：

在多线程环境下，每个 I/O 线程负责处理其分配的若干连接的 I/O 操作。主线程在 I/O 完成后负责将命令请求入队。

当命令入队且准备好处理时，主线程依次从队列中取出命令进行执行。

了解更多的redis模型，可参考：对Redis组件的深入探讨-CSDN博客

2、单线程模型

Redis 5.0及以前的版本，执行流程：

1、请求接收：

Redis 使用 epoll 或类似的异步 I/O 多路复用技术监听客户端连接。主线程循环检测所有连接，接收和解析请求。

2、命令执行：

接收到请求后，主线程立即执行所需的命令逻辑。包括对内存数据结构的操作（如 GET、SET 等）。内部没有任何锁，因为所有操作都是在同一个线程中进行的。

3、响应发送：

使用同样的线程将响应数据发送回客户端。因为请求的处理和响应的发送都是同步进行的，这使得 Redis 能高效地处理短小请求。

如下图所示：

Client -----> [Redis Main Thread] -----> Execute Command -----> Response^                      ||                      |   (All in a single loop)'----------------------'

单线程模型：
- 极简设计，避免锁竞争。
- 操作直接通过单线程处理，减小上下文切换开销。
- 极高的性能在处理简单和快速的请求时。
多线程模型：
- 通过异步 I/O线程处理连接、读写，减轻主线程负担，特别是高并发下。
- 支持多个连接同时进行网络 I/O，改善了吞吐量。
- 保持命令执行的单线程保证，提高了多连接场合的响应能力。

3、I/O模型和网络操作

Redis 的多线程 I/O 模型主要涉及网络操作，而 Redis 主线程负责执行数据命令。

这涉及到不同线程的角色和任务分配。

3.1、I/O 线程的职责

1、连接管理：

I/O 线程负责管理客户端连接的打开和关闭。这意味着它处理在客户端与服务器之间建立和断开连接的过程。

多个客户端连接可以同时通过 I/O 线程进行处理，这是为支持高并发和大量连接而设计的。

2、读操作：

I/O 线程负责从客户端读取数据，即接收客户端发送的请求。这些请求通常包括 Redis 命令和相关参数。

3、写操作：

I/O 线程负责向客户端发送数据，也就是向客户端返回请求结果。响应通常包括命令执行结果，如查询返回的值，或操作状态（成功、失败等）。

这些 I/O 线程的主要目标是提高 Redis 的网络吞吐量，特别是在高并发场景。

3.2、Redis 主线程的角色

1.命令解析：

主线程负责从 I/O 线程接收到的数据中解析具体的 Redis 命令。包括识别需要执行的类型（GET、SET、DEL等）和与命令相关的参数（如键名、值等）。

2.命令执行：

根据解析得到的命令，主线程在 Redis 数据库上执行相应的操作。

这些操作包括：

读操作：从 Redis 数据结构中读取数据，例如，把一个键的值返回给客户端。

写操作：更新或插入数据，例如，设置一个键的值，添加新的键值对。

其他管理操作：如缓存设置、数据持久化、事务执行等。

3.结果处理：

处理完命令后，主线程生成结果数据（成功、失败、数据值等）并传回给 I/O 线程。I/O 线程最终向客户端发送该结果。

总结

这种设计分离了网络 I/O 和命令执行的职责，保持了 Redis 在命令执行时的简洁性和一致性。同时，I/O 线程则专注于处理网络传输，这种并行化提高了服务器对大量并发连接的处理能力。

Redis 主线程保持命令执行单线程的模式，避免需要并发锁机制来处理复杂的竞争条件，这使得 Redis 在处理内存数据操作时很高效。对于开发者和运维者，这意味着既能享有较高的网络吞吐量，又能确保数据操作的简洁和一致。

4、非阻塞I/O

Redis 的非阻塞 I/O 是其高性能和高并发处理请求的核心之一。

下面将深入探讨 Redis 如何实现非阻塞 I/O，以及它的工作原理和优势。

4.1. 事件驱动模型

Redis 使用了事件驱动的 I/O 模型，具体来说是基于「事件循环」的架构。这种模型允许 Redis 在单个线程中处理多个并发连接，而不需要为每个连接创建单独的线程。

事件循环的关键组成部分如下：

事件循环：这是一个持续运行的循环，负责等待和调度不同的事件。在每个循环迭代中，事件循环会检查是否有新的 I/O 事件（例如客户端请求到达）。
事件源：可以是网络连接的读写事件或定时器等。可以通过调用系统调用（如 epoll，kqueue 或 select）来监控多个文件描述符。
事件处理：一旦有事件触发，事件循环就会调用相应的回调函数来处理这些事件。处理过程是非阻塞的，意味着即便某个事件的处理需要时间，也不会阻塞其他事件的处理。

4.2. 多路复用

Redis 通过多路复用来实现非阻塞 I/O。多路复用是指在单个线程中同时监控多个输入输出源（文件描述符和事件描述符）的能力。

以下是一些常用的多路复用机制：

select：较早的多路复用机制，但存在文件描述符数量限制。
poll：克服了 select 的一些限制，但在高负载时性能仍然较低。
epoll：Linux 特有的高效多路复用机制，能够处理大量的并发连接，因此 Redis 在 Linux 上通常使用 epoll。
kqueue：在 BSD 系统上使用的高效多路复用机制。

4.3. 非阻塞套接字

Redis 使用非阻塞套接字进行网络通信。当 Redis 创建套接字时，会将其设置为非阻塞模式。这意味着，当对套接字进行读写操作时，如果操作不能立即完成，系统会立即返回而不会阻塞线程。这使得 Redis 可以迅速地响应多个客户端请求。

Java 提供了 NIO（New I/O）库，这个库支持非阻塞 I/O 操作，是处理大规模 I/O 任务的有效方式。NIO 的核心是 java.nio.channels 包，其中包含用于非阻塞操作的关键类。

使用 Java NIO 设置非阻塞套接字

下面是使用 Java NIO 设置非阻塞式 TCP 套接字的基本步骤：

创建 Selector: 用于监视多个通道的 I/O 事件。
创建 ServerSocketChannel: 用于接受连接。
设置为非阻塞模式: 将通道设置为非阻塞。
注册通道到 Selector: 以便 Selector 监视它的 I/O 事件。
循环处理事件: 在一个循环中调用 Selector，处理客户端连接和 I/O 操作。

代码示例如下：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.channels.Selector;
import java.util.Iterator;public class NonBlockingServer {public static void main(String[] args) {try {// 创建 SelectorSelector selector = Selector.open();// 创建 ServerSocketChannelServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();serverSocketChannel.configureBlocking(false); // 设置为非阻塞模式// 绑定到端口serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));// 注册到 Selector，并监视 ACCEPT 事件serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);System.out.println("Server started on port 8080...");while (true) {// 等待事件发生selector.select();// 获取所有已选择的键Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();while (iterator.hasNext()) {SelectionKey key = iterator.next();// 如果是新连接事件if (key.isAcceptable()) {SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();socketChannel.configureBlocking(false); // 也设置客户端通道为非阻塞socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); // 注册读取事件System.out.println("Accepted new connection from: " + socketChannel.getRemoteAddress());}// 如果有可读事件if (key.isReadable()) {SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(256);int bytesRead = socketChannel.read(buffer);if (bytesRead == -1) {socketChannel.close(); // 关闭通道} else {String message = new String(buffer.array()).trim();System.out.println("Received message: " + message);// 可以在这里对接收到的数据进行处理...}}iterator.remove(); // 移除已处理的键}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

Selector：用于监视通道的 I/O 事件。
ServerSocketChannel：创建并配置一个非阻塞的服务器套接字通道，能接受客户端连接。
注册事件：将通道注册到 Selector 并指定要监视的事件（在这里是 OP_ACCEPT 和 OP_READ）。
事件循环：使用无限循环来监听 Selector 的事件，处理接受的新连接和读取的数据。

虽然 Java 的 Selector 不允许直接使用 epoll，但在 Linux 环境下，当你在 Java 中使用 Selector 时，JVM 会自动选择 epoll 作为底层的实现（前提是你的 JDK 为 Linux 提供了这个支持）。这意味着，使用 Selector 可以得到 epoll 的所有优势，无需直接与 epoll 交互。