redis单线程原理___Redis为何那么快-----底层原理浅析
redis單線程原理
redis單線程問題
單線程指的是網(wǎng)絡(luò)請求模塊使用了一個線程（所以不需考慮并發(fā)安全性），即一個線程處理所有網(wǎng)絡(luò)請求，其他模塊仍用了多個線程。
1. 為什么說redis能夠快速執(zhí)行
(1) 絕大部分請求是純粹的內(nèi)存操作（非?？焖?#xff09;
(2) 采用單線程,避免了不必要的上下文切換和競爭條件
(3) 非阻塞IO - IO多路復用
2. redis的內(nèi)部實現(xiàn)
內(nèi)部實現(xiàn)采用epoll，采用了epoll+自己實現(xiàn)的簡單的事件框架。epoll中的讀、寫、關(guān)閉、連接都轉(zhuǎn)化成了事件，然后利用epoll的多路復用特性，絕不在io上浪費一點時間 這3個條件不是相互獨立的，特別是第一條，如果請求都是耗時的，采用單線程吞吐量及性能可想而知了。應(yīng)該說redis為特殊的場景選擇了合適的技術(shù)方案。
3. Redis關(guān)于線程安全問題
redis實際上是采用了線程封閉的觀念，把任務(wù)封閉在一個線程，自然避免了線程安全問題，不過對于需要依賴多個redis操作的復合操作來說，依然需要鎖，而且有可能是分布式鎖。
4. IO多路復用
參考：https://www.zhihu.com/question/32163005
要弄清問題先要知道問題的出現(xiàn)原因
原因:
由于進程的執(zhí)行過程是線性的(也就是順序執(zhí)行),當我們調(diào)用低速系統(tǒng)I/O(read,write,accept等等),進程可能阻塞,此時進程就阻塞在這個調(diào)用上,不能執(zhí)行其他操作.阻塞很正常.
接下來考慮這么一個問題:一個服務(wù)器進程和一個客戶端進程通信,服務(wù)器端read(sockfd1,bud,bufsize),此時客戶端進程沒有發(fā)送數(shù)據(jù),那么read(阻塞調(diào)用)將阻塞，直到客戶端調(diào)用write(sockfd,but,size)發(fā)來數(shù)據(jù).在一個客戶和服務(wù)器通信時這沒什么問題；
當多個客戶與服務(wù)器通信時當多個客戶與服務(wù)器通信時,若服務(wù)器阻塞于其中一個客戶sockfd1,當另一個客戶的數(shù)據(jù)到達套接字sockfd2時,服務(wù)器不能處理,仍然阻塞在read(sockfd1,…)上;此時問題就出現(xiàn)了,不能及時處理另一個客戶的服務(wù),咋么辦?
I/O多路復用來解決!
I/O多路復用:
繼續(xù)上面的問題,有多個客戶連接,sockfd1,sockfd2,sockfd3…sockfdn同時監(jiān)聽這n個客戶,當其中有一個發(fā)來消息時就從select的阻塞中返回,然后就調(diào)用read讀取收到消息的sockfd,然后又循環(huán)回select阻塞;這樣就不會因為阻塞在其中一個上而不能處理另一個客戶的消息
“I/O多路復用”的英文是“I/O multiplexing”,可以百度一下multiplexing，就能得到這個圖：
Q:
那這樣子，在讀取socket1的數(shù)據(jù)時，如果其它socket有數(shù)據(jù)來，那么也要等到socket1讀取完了才能繼續(xù)讀取其它socket的數(shù)據(jù)吧。那不是也阻塞住了嗎？而且讀取到的數(shù)據(jù)也要開啟線程處理吧，那這和多線程IO有什么區(qū)別呢？
A:
1.CPU本來就是線性的不論什么都需要順序處理并行只能是多核CPU
2.io多路復用本來就是用來解決對多個I/O監(jiān)聽時,一個I/O阻塞影響其他I/O的問題,跟多線程沒關(guān)系.
3.跟多線程相比較,線程切換需要切換到內(nèi)核進行線程切換,需要消耗時間和資源.而I/O多路復用不需要切換線/進程,效率相對較高,特別是對高并發(fā)的應(yīng)用nginx就是用I/O多路復用,故而性能極佳.但多線程編程邏輯和處理上比I/O多路復用簡單.而I/O多路復用處理起來較為復雜.
5. 使用Redis有哪些好處？
(1) 速度快，因為數(shù)據(jù)存在內(nèi)存中，類似于HashMap，HashMap的優(yōu)勢就是查找和操作的時間復雜度都是O(1)
(2) 支持豐富數(shù)據(jù)類型，支持string，list，set，sorted set，hash
(3) 支持事務(wù)，操作都是原子性，所謂的原子性就是對數(shù)據(jù)的更改要么全部執(zhí)行，要么全部不執(zhí)行
(4) 豐富的特性：可用于緩存，消息，按key設(shè)置過期時間，過期后將會自動刪除
6. Redis相比memcached有哪些優(yōu)勢？
(1) memcached所有的值均是簡單的字符串，redis作為其替代者，支持更為豐富的數(shù)據(jù)類型
(2) redis的速度比memcached快很多
(3) redis可以持久化其數(shù)據(jù)
(4)Redis支持數(shù)據(jù)的備份，即master-slave模式的數(shù)據(jù)備份。
(5) 使用底層模型不同，它們之間底層實現(xiàn)方式 以及與客戶端之間通信的應(yīng)用協(xié)議不一樣。Redis直接自己構(gòu)建了VM 機制 ，因為一般的系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)的話，會浪費一定的時間去移動和請求。
(6）value大小：redis最大可以達到1GB，而memcache只有1MB
7. Redis常見性能問題和解決方案：
(1) Master最好不要做任何持久化工作，如RDB內(nèi)存快照和AOF日志文件；(Master寫內(nèi)存快照，save命令調(diào)度rdbSave函數(shù)，會阻塞主線程的工作，當快照比較大時對性能影響是非常大的，會間斷性暫停服務(wù)，所以Master最好不要寫內(nèi)存快照;AOF文件過大會影響Master重啟的恢復速度)
(2) 如果數(shù)據(jù)比較重要，某個Slave開啟AOF備份數(shù)據(jù)，策略設(shè)置為每秒同步一次
(3) 為了主從復制的速度和連接的穩(wěn)定性，Master和Slave最好在同一個局域網(wǎng)內(nèi)
(4) 盡量避免在壓力很大的主庫上增加從庫
(5) 主從復制不要用圖狀結(jié)構(gòu)，用單向鏈表結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，即：Master <- Slave1 <- Slave2 <- Slave3…；這樣的結(jié)構(gòu)方便解決單點故障問題，實現(xiàn)Slave對Master的替換。如果Master掛了，可以立刻啟用Slave1做Master，其他不變。
8. Redis的回收策略
volatile-lru：從已設(shè)置過期時間的數(shù)據(jù)集（server.db[i].expires）中挑選最近最少使用的數(shù)據(jù)淘汰
volatile-ttl：從已設(shè)置過期時間的數(shù)據(jù)集（server.db[i].expires）中挑選將要過期的數(shù)據(jù)淘汰
volatile-random：從已設(shè)置過期時間的數(shù)據(jù)集（server.db[i].expires）中任意選擇數(shù)據(jù)淘汰
allkeys-lru：從數(shù)據(jù)集（server.db[i].dict）中挑選最近最少使用的數(shù)據(jù)淘汰
allkeys-random：從數(shù)據(jù)集（server.db[i].dict）中任意選擇數(shù)據(jù)淘汰
no-enviction（驅(qū)逐）：禁止驅(qū)逐數(shù)據(jù)
注意這里的6種機制，volatile和allkeys規(guī)定了是對已設(shè)置過期時間的數(shù)據(jù)集淘汰數(shù)據(jù)還是從全部數(shù)據(jù)集淘汰數(shù)據(jù)，后面的lru、ttl以及random是三種不同的淘汰策略，再加上一種no-enviction永不回收的策略。
使用策略規(guī)則：
1、如果數(shù)據(jù)呈現(xiàn)冪律分布，也就是一部分數(shù)據(jù)訪問頻率高，一部分數(shù)據(jù)訪問頻率低，則使用allkeys-lru
2、如果數(shù)據(jù)呈現(xiàn)平等分布，也就是所有的數(shù)據(jù)訪問頻率都相同，則使用allkeys-random
9. 五種I/O模型介紹
IO 多路復用是5種I/O模型中的第3種，對各種模型講個故事，描述下區(qū)別：
故事情節(jié)為：老李去買火車票，三天后買到一張退票。參演人員（老李，黃牛，售票員，快遞員），往返車站耗費1小時。
1.阻塞I/O模型
老李去火車站買票，排隊三天買到一張退票。
耗費：在車站吃喝拉撒睡 3天，其他事一件沒干。
2.非阻塞I/O模型
老李去火車站買票，隔12小時去火車站問有沒有退票，三天后買到一張票。
耗費：往返車站6次，路上6小時，其他時間做了好多事。
3.I/O復用模型
1.select/poll
老李去火車站買票，委托黃牛，然后每隔6小時電話黃牛詢問，黃牛三天內(nèi)買到票，然后老李去火車站交錢領(lǐng)票。
耗費：往返車站2次，路上2小時，黃牛手續(xù)費100元，打電話17次
2.epoll
老李去火車站買票，委托黃牛，黃牛買到后即通知老李去領(lǐng)，然后老李去火車站交錢領(lǐng)票。
耗費：往返車站2次，路上2小時，黃牛手續(xù)費100元，無需打電話
4.信號驅(qū)動I/O模型
老李去火車站買票，給售票員留下電話，有票后，售票員電話通知老李，然后老李去火車站交錢領(lǐng)票。
耗費：往返車站2次，路上2小時，免黃牛費100元，無需打電話
5.異步I/O模型
老李去火車站買票，給售票員留下電話，有票后，售票員電話通知老李并快遞送票上門。
耗費：往返車站1次，路上1小時，免黃牛費100元，無需打電話
1同2的區(qū)別是：自己輪詢
2同3的區(qū)別是：委托黃牛
3同4的區(qū)別是：電話代替黃牛
4同5的區(qū)別是：電話通知是自取還是送票上門
Redis為何那么快-----底層原理淺析
Redis的快速很多人都知道是因為基于內(nèi)存，但這只是一方面，其實redis在底層是一套很完善的多路復用事件處理機制來保證執(zhí)行的高效的
線程模型
redis內(nèi)部使用文件事件處理器file event handler，它包含如下幾個部分
- 多個socket
- IO多路復用程序
- 文件事件分派器
- 事件處理器（連接應(yīng)答處理器，命令請求處理器，命令回復處理器）
之所以說redis是單線程其實是指這個文件事件處理器是單線程的，它采用多路復用的方式監(jiān)聽系統(tǒng)上多個socket，將socket上產(chǎn)生的事件壓入隊列中，由文件事件分派器從隊列中取出一個socket根據(jù)事件類型發(fā)給相應(yīng)的事件處理器
整個處理過程如圖：
處理過程可以分為以下幾個步驟：
- 客戶端向redis發(fā)起一個socket請求，向redis的server socket請求連接，這里命名為socket01
- server socket產(chǎn)生一個AE_READABLE事件，IO多路復用程序監(jiān)聽到事件后將這個socket01壓入隊列
- 文件事件分派器從隊列中取出socket01，交給連接應(yīng)答處理器
- 連接應(yīng)答處理器會將socket01的AE_READABLE事件與命令請求處理器相關(guān)聯(lián)
- 假設(shè)客戶端執(zhí)行set操作，這時命令請求處理器會從socket01讀取key value，在內(nèi)存中完成key value的設(shè)置
- 在內(nèi)存中完成設(shè)置后，會將socket01的AE_WRITEABLE事件與命令回復處理器相關(guān)聯(lián)，然后壓入隊列中
- 事件分派器拿到socket01后，交給命令回復處理器，由命令回復處理器向socket01寫入本次操作的結(jié)果，比如OK，之后解除關(guān)聯(lián)
以上就是一個命令在redis中執(zhí)行的過程
總結(jié)一下效率高的原因
Redis內(nèi)部原理簡介
知道了Redis的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對象結(jié)構(gòu)，那么Redis是如何保存數(shù)據(jù)的，又是如何操作數(shù)據(jù)的呢，Redis里面的命令是怎么實現(xiàn)的呢？這一系列問題值得我們思考
一.Redis維護多個數(shù)據(jù)庫
Redis內(nèi)部維護一個db數(shù)組，每個db都是一個數(shù)據(jù)庫，默認情況下Redis會創(chuàng)建16個數(shù)據(jù)庫。我們可以通過select命令來切換數(shù)據(jù)庫，如select1切換到數(shù)據(jù)庫號為1的數(shù)據(jù)庫。select實現(xiàn)是通過修改客戶端的db指針，通過指針指向不同的數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的切換操作的。
需要注意的是，為了不造成操作數(shù)據(jù)庫號錯誤，最好執(zhí)行命令之前，手動select一下數(shù)據(jù)庫。
二.數(shù)據(jù)庫鍵空間
Redis是一個鍵值對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，Redis通過字典保存了數(shù)據(jù)庫中的所有鍵值對，我們將這個字典稱為鍵空間。鍵空間的每個鍵都是一個字符串對象，鍵空間的值也就是數(shù)據(jù)庫的值，可以是字符串對象，列表對象，哈希表對象，集合對象，有序集合對象中的任何一種。
1.添加新鍵
每次添加一個新鍵就是將一個新鍵值對添加到鍵空間里面，其中鍵為字符串對象，值為任意一種類型的Redis對象。
2.刪除鍵
刪除鍵就是在鍵空間里刪除鍵所對應(yīng)的鍵值對對象。
3.更新鍵
更新鍵就是對鍵空間里面鍵所對應(yīng)的值對象進行更新。
4.查找鍵
查找鍵就是在鍵空間中取出鍵所對應(yīng)的值對象。
每次在鍵空間讀取一個鍵之后，服務(wù)器會更新鍵的LRU時間，用于計算鍵的閑置時間。如果服務(wù)器在讀取一個鍵時發(fā)現(xiàn)該鍵已經(jīng)過期，那么服務(wù)器會先刪除這個過期鍵，然后才執(zhí)行后續(xù)操作。如果有客戶端使用watch命令監(jiān)視了某個鍵，那么服務(wù)器在對被監(jiān)視的鍵進行修改之后，會將這個鍵標記為dirty，從而讓事務(wù)注意到這個鍵被修改過。服務(wù)器每次修改一個鍵之后，都會對鍵計數(shù)器的值+1，這個計數(shù)器用來觸發(fā)服務(wù)器的持久化操作。如果服務(wù)器開啟了數(shù)據(jù)庫通知功能，那么在對鍵進行修改之后，服務(wù)器將按配置發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫通知。
三.設(shè)置鍵的生存時間和過期時間
我們知道expire命令或者pexpire命令可以對一個鍵設(shè)置生存時間，經(jīng)過指定的時間之后，服務(wù)器會自動刪除生存時間為0的鍵。那么Redis是如何實現(xiàn)刪除過期鍵的操作的呢？
Redis有四個命令可以設(shè)置鍵的過期時間，包括expire,pexpire,expireat,pexpireat，不過這四個命令最后都會轉(zhuǎn)化成pexpireat命令來實現(xiàn)。
Redis使用一個過期字典記錄所有帶過期時間的鍵，字典的鍵指向鍵空間中的某個鍵對象，字典的值是一個longlong類型的整數(shù)，這個證書保存了鍵空間所指向的數(shù)據(jù)庫鍵的過期時間。通過過期字典，程序可以檢查一個給定鍵是否過期，檢查給定鍵是否存在于過期字典，如果存在，取得鍵的過期時間，檢查當前時間戳是否大于鍵的過期時間，如果是的話，鍵已經(jīng)過期，否則鍵未過期。
四.過期鍵的刪除策略
如果一個鍵過期了，那么它什么時候被刪除呢？通常我們可以用三種刪除策略刪除過期鍵
1.定時刪除：在設(shè)置鍵過期時間的同時，創(chuàng)建一個定時器，讓定時器在鍵的過期時間來臨時，刪除鍵
2.惰性刪除：放任鍵過期不管，但是每次動鍵空間獲取鍵時，都會檢查鍵是否過期，如果過期，則刪除。
3.定期刪除：每隔一段時間，程序就對數(shù)據(jù)庫進行一次檢查，刪除里面的過期鍵。
這幾種方式各有利有弊，首先定時刪除對內(nèi)存最友好，當一個鍵過期時，一定會刪除這個鍵，釋放內(nèi)存。不過定時刪除對CPU最不友好，在過期鍵比較多的情況下，刪除過期鍵這一行為可能會占用相當一部分CPU時間。此外，創(chuàng)建定時器需要用到Redis服務(wù)器中的時間時間，而當前時間時間的實現(xiàn)方式-無序鏈表查找一個事件的時間復雜度為O(N)，不能高效地處理大量時間事件。
惰性刪除策略對CPU是最友好的，但是對內(nèi)存最不友好。如果一個鍵已經(jīng)過期，這個鍵又保留在數(shù)據(jù)庫中，那么內(nèi)存就會一直占用不釋放。
定期刪除算是前兩種策略的一種整合和折中，定期策略每隔一段時間執(zhí)行一次刪除過期鍵操作，并通過限制刪除操作執(zhí)行的時長和頻率減少刪除操作對CPU時間的影響。定期刪除過期鍵可以有效地減少因為過期鍵帶來的內(nèi)存浪費。
Redis過期鍵的刪除使用惰性刪除和定期刪除兩種策略配合使用。惰性策略比較好理解，所有讀寫數(shù)據(jù)庫的命令執(zhí)行之前都會對輸入鍵進行檢查，如果鍵過期，那么從數(shù)據(jù)庫中刪除鍵。定期刪除策略的實現(xiàn)由Redis的serverCron函數(shù)來執(zhí)行，這個函數(shù)每100ms執(zhí)行一次，它在規(guī)定的時間內(nèi)，分多次遍歷服務(wù)器中的各個數(shù)據(jù)庫，從數(shù)據(jù)庫的expires字典中隨機檢查一部分鍵的過期時間，刪除其中的過期鍵。
五.復制功能對過期鍵的處理
Redis復制主要包括RDB復制和AOF復制，在RDB復制中，每次執(zhí)行SAVE或BGSAVE命令創(chuàng)建一個新的RDB文件時，程序會對數(shù)據(jù)庫中的鍵進行檢查，已過期的鍵不會被保存到新創(chuàng)建的RDB文件中。載入RDB文件時，服務(wù)器也會對保存的鍵進行檢查，如果鍵已過期，則不會載入。當使用AOF持久化模式運行時，當過期鍵被惰性刪除或者定期刪除之后，程序會向AOF文件追加一條刪除命令，記錄鍵已被刪除。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的redis单线程原理___Redis为何那么快-----底层原理浅析的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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