Redis 单线程与多线程模型详解

大家好 我是积极向上的湘锅锅💪💪💪

IO模型 阻塞IO，非阻塞IO，IO多路复用，信号驱动IO，异步IO详解

1. API

Redis也通过IO多路复用提高性能，并且支持了各种不同的复用实现，在上节中select，poll，epoll模式中，是在linux的默认实现方案，但是不同的操作系统实现方案还有所不同，主要是以下几种：

可以发现都是ae开头，后面四个都是不同的实现方案，根据ae.c中的源码可以发现不同的操作系统选择的方案也不同

/* Include the best multiplexing layer supported by this system.
 * The following should be ordered by performances, descending. */
#ifdef HAVE_EVPORT
#include "ae_evport.c"
#else
    #ifdef HAVE_EPOLL
    #include "ae_epoll.c"
    #else
        #ifdef HAVE_KQUEUE
        #include "ae_kqueue.c"
        #else
        #include "ae_select.c"
        #endif
    #endif
#endif

可以看做是一个接口的不同重载实现，也可以看作根据不同方案选择代码块
以ae.select源码为例，值得关注的方法如下

不管是epoll_create还是epoll_ctl，想必不陌生，在上节已经讲的很详细
有了对应的方法了，接下来就开始走流程（关键）

2. 基于epoll的服务端流程

这个可以做为redis线程模型的前菜，因为这个流程跟redis的很像，也算是各种实现方案的老前辈了，把这个理解透再去看redis的就要轻松很多，不废话直接上图

根据箭头

• 首先epoll_create在我们内核缓冲区创建实例，一个是红黑树rb_root，用来监听记录的FD，一个是链表list_head，用来记录就绪的FD

• 创建serverSocket文件，得到FD，然后调用epoll_ctl去注册到rb_root红黑树中，同时使用回调函数，一旦FD就绪，就会记录到list_head链表里

• 最后根据epoll_wait函数来等待数据就绪，首先判断链表是否为空，不为空就将对应链表的FD拷贝进空数组里面，然后让用户空间去遍历数组就可得到就绪的FD

• 为空就一直等待，直到有FD就绪或者超时，如果FD超时还未就绪，只能返回一个0，告诉用户进程没有就绪，然后重新调用epoll_wait，直到FD就绪

这里的一个基本流程就是epoll的流程，不过FD已经是对应serverSocket，实际是对应的那个端口号创建的，默认是6379

那什么情况serverSocket才能就绪？
有服务端端口等待连接，就有客户端请求连接，所以serverSocket只有一种情况才能就绪，那就是有客户端进行连接，事件的类型为读事件

接下来就需要根据返回的FD数组中的事件类型进行数据的处理

跟上图就区别的地方就是多了下半部分，所以只需要关注下半部分即可

从判断事件开始

如果事件类型是EPOLLIN

• 并且FD是ssfd，也就是serverSocket，那就证明有客户端要准备连接上服务端了，就会调用accept()接受客户端的socket，得到对应的客户端FD，最后需要调用epoll_ctl把客户端FD注册到rb_root红黑树上进行监听，后面新的客户端连接也是如此
• FD不是ssfd，那就说明是客户端FD可读，那就读取请求参数进行业务处理，最后写出响应

如果事件类型是EPOLLERR
也就是各种异常，那就直接写出响应

下图就更为清晰的阐述了用户空间和内核空间所做的一系列事情，更为直观，详细流程可以再根据这幅图再走一遍

3. Redis 线程模型

前菜已去，该来的总会来

Redis 内部使用文件事件处理器，这个文件事件处理器是单线程的，所以 Redis 才叫做单线程的模型

基本流程简介：

它采用 IO 多路复用机制同时监听多个socket，将产生事件的 socket 压入内存队列中，事件分派器根据 socket 上的事件类型来选择对应的事件处理器进行处理

文件事件处理器的结构包含4个部分：
①多个socket；
②IO多路复用程序；
③文件事件分派器；
④事件处理器(命令请求处理器，命令回复处理器，连接应答处理器等等)

以上的有个概念就好，怎么用的在下文

Redis 线程模型流程

1. 一开始，肯定需要服务端开启一个连接（调用epoll_create创建实例）等待客户端连接操作，所以就需要一个对应的处理器来处理连接，那就是连接应答处理器，什么时候用？ go on reading

注：图中的aeEventLoop相当于epoll_create

2. 创建好实例之后，就需要进行监听（图中的aeApiPoll就是epoll_wait）

根据箭头

承接上图，在aeEventLoop之后，有个beforsleep，具体什么用看后文，然后再是调用aeApipoll（epoll_wait)进行监听
如果serversoket有读事件，也就是在图的前面那三个蓝色圈圈 client Socket 要开始连接了，那就用连接应答处理器将client Socket的FD注册到我们创建的实例当中（红黑树添加节点）

连接应答处理器：处理对象是serversoket，作用将客户端FD注册到实例当中

3. 客户端FD注册之后，那就可能不只是服务端可读事件发生，而是可能就是客户端FD可读，那就需要命令请求处理器来处理

在我们的epoll网络模型中，这一步就应该是用户空间获取请求参数进行处理

那在redis线程模型中，命令请求处理器所做的事情大致分为以下几类

• 每一个client都有属于自己的读缓冲区queryBuf，将请求数据写入client的的queryBuf缓冲区里面
• 再调用函数将数据解析为redis命令
• 执行redis命令
• 将执行结果再次写入client写缓冲区buf里面，如果buf写不下，就会写到一个reply链表里面，理论上容量无上限
• 将客户端添加到服务端定义好的队列里面去，这个队列就是存放那些被等待写出的客户端的，随着要处理的客户端越来越多，这个队列里面存放的待写出的客户端也就越来越多

到这一步，仅仅是处理了数据，但是还没有真正的写出
那什么时候写？
注意前文的 beforsleep

查看beforsleep源码

可以发现是遍历了队列里面的每一个client socket，监听FD的写事件，并且绑定了一个处理器，叫做 命令回复处理器

命令回复处理器：将准备好的客户端缓冲区的数据取出，然后逐个写入到client socket里面

总结

总的来说会监听服务端的读事件，同时也会监听客户端的读事件和写事件，分别由专门的处理器处理

一共由三种事件

• 服务端可读（连接应答处理器）
• 客户端可读（命令请求处理器）
• 客户端可写（命令回复处理器）

根据其中的特点可以概括为IO多路复用+事件派发

Redis单线程模型的瓶颈在哪里？
redis执行命令也就是ms级别，而将数据放入缓存，也就是纯内存操作，也花不了太长时间，那真正可以使用多线程优化的地方时哪里？
就是网络IO，IO在很多地方都有体现，数据库需要IO从磁盘读取数据，而这里就是网络IO，主要体现在俩个地方

• 在处理客户端socket的读事件时，要从客户端socket读取数据并且解析为命令，这个操作涉及网络IO
• 当从队列取出数据的时候，又要涉及到从服务端socket写数据到客户端socket，也涉及网络IO

因此，在Redis 6.0 版本中引入了多线程，目的就是为了提高IO读写效率，因此在解析客户端命令，写响应结果时采用了多线程，而核心命令的执行，IO多路复用的模块还是单线程

整个Redis线程模型就是如下过程

整个流程就结束了，建议拿自己慢慢画出来，熟练掌握之后，也就可以去跟面试官吹逼了