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Redis单线程快的原因

news 来源：原创 2025/7/5 19:13:37
  1. 基于内存操作：Redis将数据存储在内存中，使得数据的读写速度极快，这是其性能优势的主要原因。
  2. 单线程避免上下文切换：在多线程环境下，CPU核数有限，线程上下文切换会带来性能损耗。Redis采用单线程，避免了这种开销，同时也无需处理复杂的线程安全问题，减少了使用并发锁技术带来的性能损耗。
  3. IO多路复用和非阻塞IO：Redis底层采用IO多路复用和非阻塞IO技术，能够高效处理网络请求，提高系统的整体性能。

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用户空间与内核空间

  1. 概念：以Linux系统为例，进程使用情况分为用户空间和内核空间。用户空间权限低，无法直接调用系统资源，而内核空间权限大，可以调用一切系统资源。
  2. 数据交互：用户空间与内核空间在数据传输时，需要进行缓冲区的数据拷贝。例如，发送消息时，用户空间编辑的内容需先拷贝到内核缓冲区，再由内核操作硬件设备发送；接收消息时，数据先从硬件设备读到内核缓冲区，再拷贝到用户缓冲区。
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影响IO效率的原因

  1. 无效等待：当用户空间需要数据时，若内核中没有数据，用户进程只能等待，可能造成无效等待，浪费CPU资源。
  2. 数据拷贝：数据在用户空间和内核空间之间来回拷贝，会消耗大量的CPU时间和内存带宽，影响性能。

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阻塞IO模型

  1. 流程：用户进程读取数据时调用receive from函数，若内核无数据则等待，数据就绪后进行拷贝，拷贝过程中用户进程也处于阻塞状态，直到拷贝完成拿到数据，阻塞状态才解除。
  2. 特点：用户进程在数据等待和拷贝两个阶段均阻塞，性能相对较低。

非阻塞IO模型

  1. 流程：用户进程读取数据时，若内核中无数据，内核会返回异常，用户进程不会阻塞，但会不断尝试读取数据，直到数据就绪。数据拷贝阶段，用户进程仍需等待，拷贝完成后阻塞状态解除。
  2. 特点：用户进程在第一阶段非阻塞，但不断询问内核是否有数据会导致CPU空转，性能没有明显提升。

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IO多路复用

  1. 原理：利用单个线程同时监听多个socket，用户进程调用select函数监听socket集合，当有socket可读或可写时，返回可用状态，用户进程再调用receive from函数读取数据。
  2. 优势：相比阻塞IO和非阻塞IO，IO多路复用可以避免无效等待，提高CPU利用率，在处理大量并发连接时性能优势明显。

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Linux中IO多路复用实现方式

  1. Select和poll模式：通知用户进程socket就绪，但不明确具体是哪个socket，用户进程需逐个遍历确认。
  2. Epoll模式：在通知用户进程socket就绪的同时，将已就绪的socket写入用户空间，用户进程无需遍历，可直接处理，性能更高。

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Redis网络模型

  1. 单线程模型：IO多路复用负责监听客户端连接，将就绪连接的不同事件派发给多个事件处理器，如连接应答处理器、命令回复处理器、命令请求处理器等，实现不同网络通信请求。
  2. 多线程优化（Redis 6.0之后）：在传统单线程模型中，影响性能的主要是网络IO。

Redis引入多线程主要优化两块内容:

  • 一是命令解析，多线程处理客户端命令解析为Redis可执行命令，主线程串行执行命令保证线程安全；
  • 二是响应结果输出，数据写入缓冲区后，触发写事件时通过多线程处理耗时的网络响应问题，减少网络IO导致的性能影响，提高客户端处理速度。

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学习建议

  1. 理解概念：深入理解用户空间与内核空间、IO模型、IO多路复用等概念，这是掌握Redis网络模型的基础。
  2. 对比学习：对比阻塞IO、非阻塞IO和IO多路复用的特点和差异，了解它们在不同场景下的应用。
  3. 实践操作：通过实际操作Redis，配置和使用其网络模型，观察不同配置下的性能表现，加深对Redis网络模型的理解。
  4. 深入研究：研究Redis 6.0之后的多线程优化，了解其实现原理和对性能的提升作用，关注Redis社区的最新动态，了解其在网络模型方面的改进和发展。

扩展

事件派发是一种软件设计模式，用于将事件从事件源发送到一个或多个事件处理器，以实现松耦合和可扩展性。

事件派发在Redis中的工作流程

  1. 事件监听：Redis使用IO多路复用（如select、poll、epoll等）来监听多个socket连接上的事件，包括可读事件（如客户端发送数据）、可写事件（如向客户端发送响应）等。这些socket连接可以是来自客户端的请求连接，也可以是Redis与其他组件或节点之间的通信连接。
  2. 事件就绪通知：当某个或多个socket上的事件就绪（例如有数据可读或可写）时，IO多路复用机制会通知Redis。
  3. 事件派发：Redis根据事件的类型（如连接应答、命令请求、命令回复等），将相应的事件派发到预先注册的对应的事件处理器中。例如，当有新的客户端连接请求到来时，会将连接事件派发给连接应答处理器；当客户端发送命令时，会将命令请求事件派发给命令请求处理器；当需要向客户端发送响应时，会将命令回复事件派发给命令回复处理器。
  4. 事件处理：各个事件处理器接收到事件后，执行相应的处理逻辑。例如，连接应答处理器负责处理新连接的建立，进行初始化等操作；命令请求处理器负责接收客户端的命令参数，将其转换为Redis内部可执行的指令，并执行相应的操作，可能涉及数据的读取、修改、存储等；命令回复处理器负责将处理结果组装成响应格式，并发送回客户端。

事件派发的优势

  1. 松耦合：事件源（如socket连接）与事件处理器之间通过事件派发机制进行解耦，它们不需要相互了解对方的实现细节。这使得系统的各个部分可以独立开发、测试和维护，便于系统的扩展和升级。例如，如果需要添加新的事件类型或修改某个事件的处理逻辑，只需要在相应的事件处理器中进行修改，而不会影响到其他部分的代码。
  2. 可扩展性：可以方便地添加新的事件类型和对应的事件处理器，以适应系统不断变化的需求。例如，随着Redis功能的扩展，可能会引入新的网络协议或功能，通过事件派发机制，可以轻松地添加处理这些新情况的事件处理器，而无需对整个系统进行大规模的改动。
  3. 高效性：通过IO多路复用和事件派发，Redis能够在单线程模型下高效地处理大量并发的网络事件。避免了为每个连接或事件创建单独线程所带来的线程上下文切换开销，同时确保了事件能够及时得到处理，提高了系统的整体性能和响应速度。例如，在处理大量客户端连接和请求时，事件派发机制能够快速地将事件分配到合适的处理器，使得Redis能够快速地响应客户端操作，提供高效的服务。

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