BAT面試必考題:高併發場景下單線程的Redis爲什麼還這麼快?

緩存在高併發的場景的作用不言而喻,號稱高併發架構的基石,其中最爲典型代表非Redis莫屬。

無論你是想面試通關,還是實戰中用好Redis,理解Redis的設計精髓,就變得很重要了。

今天主要分享Redis關於單線程以及高併發場景的核心設計。

 

Redis的高併發和快速原因

1.redis是基於內存的,內存的讀寫速度非常快;

2.redis是單線程的,省去了很多上下文切換線程的時間;

3.redis使用多路複用技術,可以處理併發的連接。非阻塞IO 內部實現採用epoll,採用了epoll+自己實現的簡單的事件框架。epoll中的讀、寫、關閉、連接都轉化成了事件,然後利用epoll的多路複用特性,絕不在io上浪費一點時間。

 

下面重點介紹單線程設計和IO多路複用核心設計快的原因。

爲什麼Redis是單線程的

1.官方答案

因爲Redis是基於內存的操作,CPU不是Redis的瓶頸,Redis的瓶頸最有可能是機器內存的大小或者網絡帶寬。既然單線程容易實現,而且CPU不會成爲瓶頸,那就順理成章地採用單線程的方案了。

2.性能指標

關於Redis的性能,官方網站也有,普通筆記本輕鬆處理每秒幾十萬的請求。

3.詳細原因

1)不需要各種鎖的性能消耗

Redis的數據結構並不全是簡單的Key-Value,還有list,hash等複雜的結構,這些結構有可能會進行很細粒度的操作,比如在很長的列表後面添加一個元素,在hash當中添加或者刪除一個對象。這些操作可能就需要加非常多的鎖,導致的結果是同步開銷大大增加。

總之,在單線程的情況下,就不用去考慮各種鎖的問題,不存在加鎖釋放鎖操作,沒有因爲可能出現死鎖而導致的性能消耗。

2)單線程多進程集羣方案

單線程的威力實際上非常強大,每核心效率也非常高,多線程自然是可以比單線程有更高的性能上限,但是在今天的計算環境中,即使是單機多線程的上限也往往不能滿足需要了,需要進一步摸索的是多服務器集羣化的方案,這些方案中多線程的技術照樣是用不上的。

所以單線程、多進程的集羣不失爲一個時髦的解決方案。

3)CPU消耗

採用單線程,避免了不必要的上下文切換和競爭條件,也不存在多進程或者多線程導致的切換而消耗 CPU。

但是如果CPU成爲Redis瓶頸,或者不想讓服務器其他CUP核閒置,那怎麼辦?

可以考慮多起幾個Redis進程,Redis是key-value數據庫,不是關係數據庫,數據之間沒有約束。只要客戶端分清哪些key放在哪個Redis進程上就可以了。

 

Redis單線程的優劣勢

單進程單線程優勢

  1. 代碼更清晰,處理邏輯更簡單

  2. 不用去考慮各種鎖的問題,不存在加鎖釋放鎖操作,沒有因爲可能出現死鎖而導致的性能消耗

  3. 不存在多進程或者多線程導致的切換而消耗CPU

單進程單線程弊端

  1. 無法發揮多核CPU性能,不過可以通過在單機開多個Redis實例來完善;

IO多路複用技術

Redis 採用網絡IO多路複用技術來保證在多連接的時候, 系統的高吞吐量。

多路-指的是多個socket連接,複用-指的是複用一個線程。多路複用主要有三種技術:select,poll,epoll。epoll是最新的也是目前最好的多路複用技術。

這裏“多路”指的是多個網絡連接,“複用”指的是複用同一個線程。採用多路 I/O 複用技術可以讓單個線程高效的處理多個連接請求(儘量減少網絡IO的時間消耗),且Redis在內存中操作數據的速度非常快(內存內的操作不會成爲這裏的性能瓶頸),主要以上兩點造就了Redis具有很高的吞吐量。

 

Redis高併發快總結

1. Redis是純內存數據庫,一般都是簡單的存取操作,線程佔用的時間很多,時間的花費主要集中在IO上,所以讀取速度快。

 

2. 再說一下IO,Redis使用的是非阻塞IO,IO多路複用,使用了單線程來輪詢描述符,將數據庫的開、關、讀、寫都轉換成了事件,減少了線程切換時上下文的切換和競爭。

 

3. Redis採用了單線程的模型,保證了每個操作的原子性,也減少了線程的上下文切換和競爭。

 

4. 另外,數據結構也幫了不少忙,Redis全程使用hash結構,讀取速度快,還有一些特殊的數據結構,對數據存儲進行了優化,如壓縮表,對短數據進行壓縮存儲,再如,跳錶,使用有序的數據結構加快讀取的速度。

 

5. 還有一點,Redis採用自己實現的事件分離器,效率比較高,內部採用非阻塞的執行方式,吞吐能力比較大。

 

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