作者：小林coding
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大家好，我是小林。
這次主要分享 Redis 線程模型篇的面試題。
- Redis 是單線程嗎？
- Redis 單線程模式是怎樣的？
- Redis 採用單線程爲什麼還這麼快？
- Redis 6.0 之前爲什麼使用單線程？
- Redis 6.0 之後爲什麼引入了多線程？
Redis 是單線程嗎？
Redis 單線程指的是「接收客戶端請求->解析請求 ->進行數據讀寫等操作->發生數據給客戶端」這個過程是由一個線程（主線程）來完成的，這也是我們常說 Redis 是單線程的原因。
但是，Redis 程序並不是單線程的，Redis 在啓動的時候，是會啓動後臺線程（BIO）的：
- Redis 在 2.6 版本，會啓動 2 個後臺線程，分別處理關閉文件、AOF 刷盤這兩個任務；
- Redis 在 4.0 版本之後，新增了一個新的後臺線程，用來異步釋放 Redis 內存，也就是 lazyfree 線程。例如執行 unlink key / flushdb async / flushall async 等命令，會把這些刪除操作交給後臺線程來執行，好處是不會導致 Redis 主線程卡頓。因此，當我們要刪除一個大 key 的時候，不要使用 del 命令刪除，因爲 del 是在主線程處理的，這樣會導致 Redis 主線程卡頓，因此我們應該使用 unlink 命令來異步刪除大key。
之所以 Redis 爲「關閉文件、AOF 刷盤、釋放內存」這些任務創建單獨的線程來處理，是因爲這些任務的操作都是很耗時的，如果把這些任務都放在主線程來處理，那麼 Redis 主線程就很容易發生阻塞，這樣就無法處理後續的請求了。
後臺線程相當於一個消費者，生產者把耗時任務丟到任務隊列中，消費者（BIO）不停輪詢這個隊列，拿出任務就去執行對應的方法即可。
關閉文件、AOF 刷盤、釋放內存這三個任務都有各自的任務隊列：
- BIO_CLOSE_FILE，關閉文件任務隊列：當隊列有任務後，後臺線程會調用 close(fd) ，將文件關閉；
- BIO_AOF_FSYNC，AOF刷盤任務隊列：當 AOF 日誌配置成 everysec 選項後，主線程會把 AOF 寫日誌操作封裝成一個任務，也放到隊列中。當發現隊列有任務後，後臺線程會調用 fsync(fd)，將 AOF 文件刷盤，
- BIO_LAZY_FREE，lazy free 任務隊列：當隊列有任務後，後臺線程會 free(obj) 釋放對象 / free(dict) 刪除數據庫所有對象 / free(skiplist) 釋放跳錶對象；
Redis 單線程模式是怎樣的？
Redis 6.0 版本之前的單線模式如下圖：
圖中的藍色部分是一個事件循環，是由主線程負責的，可以看到網絡 I/O 和命令處理都是單線程。 Redis 初始化的時候，會做下面這幾年事情：
- 首先，調用 epoll_create() 創建一個 epoll 對象和調用 socket() 一個服務端 socket
- 然後，調用 bind() 綁定端口和調用 listen() 監聽該 socket；
- 然後，將調用 epoll_crt() 將 listen socket 加入到 epoll，同時註冊「連接事件」處理函數。
初始化完後，主線程就進入到一個事件循環函數，主要會做以下事情：
- 首先，先調用處理髮送隊列函數，看是發送隊列裏是否有任務，如果有發送任務，則通過 write 函數將客戶端發送緩存區裏的數據發送出去，如果這一輪數據沒有發生完，就會註冊寫事件處理函數，等待 epoll_wait 發現可寫後再處理 。
- 接着，調用 epoll_wait 函數等待事件的到來：
- 如果是連接事件到來，則會調用連接事件處理函數，該函數會做這些事情：調用 accpet 獲取已連接的 socket -> 調用 epoll_ctr 將已連接的 socket 加入到 epoll -> 註冊「讀事件」處理函數；
- 如果是讀事件到來，則會調用讀事件處理函數，該函數會做這些事情：調用 read 獲取客戶端發送的數據 -> 解析命令 -> 處理命令 -> 將客戶端對象添加到發送隊列 -> 將執行結果寫到發送緩存區等待發送；
- 如果是寫事件到來，則會調用寫事件處理函數，該函數會做這些事情：通過 write 函數將客戶端發送緩存區裏的數據發送出去，如果這一輪數據沒有發生完，就會繼續註冊寫事件處理函數，等待 epoll_wait 發現可寫後再處理 。
以上就是 Redis 單線模式的工作方式，如果你想看源碼解析，可以參考這一篇：爲什麼單線程的 Redis 如何做到每秒數萬 QPS ？
Redis 採用單線程爲什麼還這麼快？
官方使用基準測試的結果是，單線程的 Redis 吞吐量可以達到 10W/每秒，如下圖所示：
之所以 Redis 採用單線程（網絡 I/O 和執行命令）那麼快，有如下幾個原因：
- Redis 的大部分操作都在內存中完成，並且採用了高效的數據結構，因此 Redis 瓶頸可能是機器的內存或者網絡帶寬，而並非 CPU，既然 CPU 不是瓶頸，那麼自然就採用單線程的解決方案了；
- Redis 採用單線程模型可以避免了多線程之間的競爭，省去了多線程切換帶來的時間和性能上的開銷，而且也不會導致死鎖問題。
- Redis 採用了 I/O 多路複用機制處理大量的客戶端 Socket 請求，IO 多路複用機制是指一個線程處理多個 IO 流，就是我們經常聽到的 select/epoll 機制。簡單來說，在 Redis 只運行單線程的情況下，該機制允許內核中，同時存在多個監聽 Socket 和已連接 Socket。內核會一直監聽這些 Socket 上的連接請求或數據請求。一旦有請求到達，就會交給 Redis 線程處理，這就實現了一個 Redis 線程處理多個 IO 流的效果。
Redis 6.0 之前爲什麼使用單線程？
我們都知道單線程的程序是無法利用服務器的多核 CPU 的，那麼早期 Redis 版本的主要工作（網絡 I/O 和執行命令）爲什麼還要使用單線程呢？我們不妨先看一下Redis官方給出的FAQ。
核心意思是：CPU 並不是制約 Redis 性能表現的瓶頸所在，更多情況下是受到內存大小和網絡I/O的限制，所以 Redis 核心網絡模型使用單線程並沒有什麼問題，如果你想要使用服務的多核CPU，可以在一臺服務器上啓動多個節點或者採用分片集羣的方式。
除了上面的官方回答，選擇單線程的原因也有下面的考慮。
使用了單線程後，可維護性高，多線程模型雖然在某些方面表現優異，但是它卻引入了程序執行順序的不確定性，帶來了併發讀寫的一系列問題，增加了系統複雜度、同時可能存在線程切換、甚至加鎖解鎖、死鎖造成的性能損耗。
Redis 6.0 之後爲什麼引入了多線程？
雖然 Redis 的主要工作（網絡 I/O 和執行命令）一直是單線程模型，但是在 Redis 6.0 版本之後，也採用了多個 I/O 線程來處理網絡請求，這是因爲隨着網絡硬件的性能提升，Redis 的性能瓶頸有時會出現在網絡 I/O 的處理上。
所以爲了提高網絡請求處理的並行度，Redis 6.0 對於網絡請求採用多線程來處理。但是對於讀寫命令，Redis 仍然使用單線程來處理，所以大家不要誤解 Redis 有多線程同時執行命令。
Redis 官方表示，Redis 6.0 版本引入的多線程 I/O 特性對性能提升至少是一倍以上。
Redis 6.0 版本支持的 I/O 多線程特性，默認是 I/O 多線程只處理寫操作（write client socket），並不會以多線程的方式處理讀操作（read client socket）。要想開啓多線程處理客戶端讀請求，就需要把 Redis.conf 配置文件中的 io-threads-do-reads 配置項設爲 yes。
//讀請求也使用io多線程
io-threads-do-reads yes
同時， Redis.conf 配置文件中提供了 IO 多線程個數的配置項。
// io-threads N，表示啓用 N-1 個 I/O 多線程（主線程也算一個 I/O 線程）
io-threads 4
關於線程數的設置，官方的建議是如果爲 4 核的 CPU，建議線程數設置爲 2 或 3，如果爲 8 核 CPU 建議線程數設置爲 6，線程數一定要小於機器核數，線程數並不是越大越好。 因此， Redis 6.0 版本之後，Redis 在啓動的時候，默認情況下會有 6 個線程：
- Redis-server ： Redis的主線程，主要負責執行命令；
- bio_close_file、bio_aof_fsync、bio_lazy_free：三個後臺線程，分別異步處理關閉文件任務、AOF刷盤任務、釋放內存任務；
- io_thd_1、io_thd_2、io_thd_3：三個 I/O 線程，io-threads 默認是 4 ，所以會啓動 3（4-1）個 I/O 多線程，用來分擔 Redis 網絡 I/O 的壓力。
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