硬核剖析Redis单线程为什么那么快？

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Redis目前是使用率最高的内存库数据库，是企业应用开发的必备，它极高的性能和丰富的数据结构为我们的开发提供了极大的便利。它每秒可以承受10W+的QPS，但却是单线程的处理模型，为什么采用单线程的Redis性能还会如此强劲呢？这篇文章我们来深度剖析一下其中的缘由。

首先，我要纠正大家的一个认知，我们通常说的Redis 是单线程，主要是指 Redis 的网络 IO 和键值对读写是由一个线程来完成的，也可以理解为执行实际命令的处理是单线程的。但 Redis 的其他功能，比如持久化、AOF重写、异步删除、集群数据同步等都是由额外的线程执行的。所以严格来说Redis并不是单线程的。

Redis的高性能概述主要取决于以下几个方面：

• 数据在内存中，全部是内存操作

• 采用高性能IO模型

• 单线程模型降低额外开销

• 高效合理的数据结构

1.数据存取全部内存操作

Redis是一个内存数据库，它的数据都存储在内存中，这意味着我们读写数据都是在内存中完成，这个速度是非常快的。

Redis是一个KV内存数据库，它内部构建了一个哈希表，根据指定的KEY访问时，只需要O(1)的时间复杂度就可以找到对应的数据。同时，Redis提供了丰富的数据类型，并使用高效的操作方式进行操作，这些操作都在内存中进行，并不会大量消耗CPU资源，所以速度极快。

2.采用高性能IO模型

Redis采用单线程，那么它是如何处理多个客户端连接请求呢？

Linux 中的 IO 多路复用机制是指一个线程处理多个 IO 流，就是我们经常听到的 select/epoll 机制。简单来说，在 Redis 只运行单线程的情况下，该机制允许内核中，同时存在多个监听套接字和已连接套接字。内核会一直监听这些套接字上的连接请求或数据请求。一旦有请求到达，就会交给 Redis 线程处理，这就实现了一个 Redis 线程处理多个 IO 流的效果。

下图就是基于多路复用的 Redis IO 模型。图中的多个 FD 就是刚才所说的多个套接字。Redis 网络框架调用 epoll 机制，让内核监听这些套接字。此时，Redis 线程不会阻塞在某一个特定的监听或已连接套接字上，也就是说，不会阻塞在某一个特定的客户端请求处理上。正因为此，Redis 可以同时和多个客户端连接并处理请求，从而提升并发性。

总结一下就是Redis 采用了IO多路复用机制，使其在网络 IO 操作中能并发处理大量的客户端请求，并实现高吞吐率。

3.单线程模型降低额外开销

日常写程序时，我们经常会听到一种说法：“使用多线程，可以增加系统吞吐率，或是可以增加系统扩展性。”的确，对于一个多线程的系统来说，在有合理的资源分配的情况下，可以增加系统中处理请求操作的资源实体，进而提升系统能够同时处理的请求数，即吞吐率。下面的左图是我们采用多线程时所期待的结果。

通常情况下，在我们采用多线程后，如果没有良好的系统设计，实际得到的结果，其实是右图所展示的那样。我们刚开始增加线程数时，系统吞吐率会增加，但是，再进一步增加线程时，系统吞吐率就增长迟缓了，有时甚至还会出现下降的情况。

为什么会出现这种情况呢？一个关键的瓶颈在于，系统中通常会存在被多线程同时访问的共享资源，比如一个共享的数据结构。当有多个线程要修改这个共享资源时，为了保证共享资源的正确性，就需要有额外的机制进行保证，而这个额外的机制，就会带来额外的开销。

并发访问控制一直是多线程开发中的一个难点问题，如果没有精细的设计，比如说，只是简单地采用一个粗粒度互斥锁，就会出现不理想的结果：即使增加了线程，大部分线程也在等待获取访问共享资源的互斥锁，并行变串行，系统吞吐率并没有随着线程的增加而增加。而且，采用多线程开发一般会引入同步原语来保护共享资源的并发访问，这也会降低系统代码的易调试性和可维护性。为了避免这些问题，Redis 直接采用了单线程模式。

总结下Redis采用单线程模型主要考虑的因素：

• 避免多线程上下文切换的性能损耗

• 避免访问共享资源加锁的性能损耗

• 降低系统复杂度，开发可维护性高

4.高效的数据结构

Redis 中有多种数据类型，每种数据类型的底层都由一种或多种数据结构来支持，比如跳表、HashMap、压缩列表等。正是因为有了这些不同的数据结构，使得数据存储时间复杂度降到最低，Redis 在存储与读取上的速度才不受阻碍。

最后总结

Redis使用单线程模型，没有了线程上下文切换和访问共享资源加锁的性能损耗，配合IO多路复用技术，可以完成多个连接的请求处理。而且正是由于它的使用定位是内存数据库，这样几乎所有的操作都在内存中完成，它的性能可以达到非常之高。

Redis 6.0 版本为什么又引入了多线程，这里也解释下。

Redis 的性能瓶颈不在 CPU ，而在内存和网络，内存不够可以增加内存或通过数据结构等进行优化；但 Redis 的网络 IO 的读写占用了大部分 CPU 的时间，如果可以把网络处理改成多线程的方式，性能会有很大提升。所以总结下 Redis 6.0 版本引入多线程有两个原因：1.充分利用服务器的多核资源 2.多线程分摊 Redis 同步 IO 读写负荷

注意：执行命令还是由单线程顺序执行，只是处理网络数据读写采用了多线程，而且 IO 线程要么同时读 Socket ，要么同时写 Socket ，不会同时读写。

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