Redis为什么这么快之IO多路复用

情景复现

面试官：Redis为什么这么快？

我：1. 基于内存 2. 高效数据结构 3. 单线程 4. IO多路复用

面试官：那你讲讲Redis的IO多路复用模型是什么。

我：哦，嗯，啊，呀...IO多路复用、文件描述符、用户态，内核态、哦。

前置内容

Scoket

来源：http://www.cs.cmu.edu/afs/cs/academic/class/15213-f15/www/schedule.html

FD

内核对应已打开文件的索引

IO模型

阻塞IO、非阻塞IO、IO多路复用、信号驱动模型、异步IO

可以看看我的另一篇笔记：https://www.cnblogs.com/handsometaoa/p/17379850.html

Redis的IO多路复用模型是什么

I/O多路复用模型是什么？就是很多网络连接(多路)，共(复)用少数几个(甚至是一个)线程。（来源：I/O多路复用技术（multiplexing）是什么？）

Redis采用I/O多路复用机制，使得Redis在单线程模式下依然可以高效的处理多个I/O流。

其核心思想是，先通过 select / poll / epoll 等系统调用查询监听的文件描述符是否准备就绪，这个操作可阻塞也可立即返回（具体看参数和对应规则），当其中一个或者多个文件描述符IO事件准备就绪才开始下一步，即 read 或者 write 等系统调用，这里才是真正的读或者写。（来源：redis 的 IO 多路复用如何？）

首先Redis IO多路复用采用 epoll 的实现方案，但是在了解 epoll 前先了解一下 select 与 poll ，对后面理解更有帮助。

select

1. 一个客户端与服务端连接时，会生成对应一个套接字描述符(fd)
2. 进程会将fd加入进程维护的fd列表中，每次调用 select 都需要将 fd列表从用户态进程拷贝到内核，（当fd列表较大时，拷贝开销不可忽略，所以限制其大小为1024）
3. 内核轮询fd列表，当无fd就绪时，进程阻塞。
4. 当网络数据到达内核缓冲区时，网卡发出中断信号通知CPU，CPU收到中断信号，执行对应中断程序
5. 中断程序将内核缓冲数据拷贝到对应文件描述符的接收缓冲区
6. socket接收数据完毕后，中断程序将进程重新添加至工作队列，并将进程从等待队列中移除
7. 进程重新进入工作队列，从阻塞处继续执行。

poll

1. 创建pollfd数组，向其中添加关注的fd信息，数组大小自定义
2. 调用poll函数，将pollfd数组拷贝到内核空间，转链表存储，无上限
3. 内核遍历fd，判断是否就绪
4. 数据就绪或超时后，拷贝pollfd数组到用户空间，返回就绪fd数量n
5. 用户进程判断n是否大于0
6. 大于0则遍历pollfd数组，找到就绪的fd

select与poll原理类似，结合一起看。

epoll

/**
 * @param size epoll 要监听文件描述符个数
 * @return 返回创建eventpoll对象文件描述符
 */
int epoll_create(int size);

/**
 * 事件注册
 * @param epdf epoll_create()返回的文件描述符
 * @param op 操作类型 1.新增 2.删除 3.更新
 * @param fd 本次要操作文件描述符
 * @param epoll_event 需要监听的事件：读事件、写事件
 * @return 调用成功返回0，不成功返回-1
 */
int epoll_ctl(int epdf,int op,int fd,struct epoll_event *event ); 

/**
 * 获取就绪事件
 * @param epdf epoll_create()返回的文件描述符
 * @param events 回传就绪事件
 * @param maxevents 每次能处理最大事件数
 * @param timeout 等待IO事件发生的超时时间 -1 阻塞 0 非阻塞
 * @return 大于0 已就绪文件描述符数
 */
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

1. 应用程序通过epoll_create系统调用创建一个epoll实例，得到一个文件描述符，用于后续的操作。
2. 应用程序使用epoll_ctl系统调用将需要监听的文件描述符（socket、文件等）添加到epoll实例中，并关联相应的事件（读、写、异常）。
3. 当应用程序调用epoll_wait系统调用时，操作系统会阻塞程序，等待任何一个注册的事件就绪。
4. 当有事件就绪时，epoll_wait会返回，告诉应用程序哪些事件已经就绪。
5. 应用程序可以通过遍历返回的事件列表，检查哪些事件已经就绪。
6. 应用程序可以对就绪的事件进行处理，如读取数据、写入数据等。
7. 应用程序可以再次调用epoll_wait来等待下一轮的事件就绪。

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