為什麼說Redis是單線程的以及Redis為什麼這麼快！

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　　一、前言
　　
　　近乎所有與Java相關的面試都會問到緩衝的問題，基礎一點的會問到什麼是“二八定律”、什麼是“熱資料和冷資料”，複雜一點的會問到緩衝雪崩、緩衝穿透、緩衝預熱、緩衝更新、緩衝降級等問題，這些看似不常見的概念，都與我們的快取服務器相關，一般常用的快取服務器有Redis、Memcached等，而筆者目前最常用的也只有Redis這一種。
　　
　　如果你在以前面試的時候還沒有遇到過面試官問你《為什麼說Redis是單線程的以及Redis為什麼這麼快！》，那麼你看到這篇文章的時候，你應該覺得是一件很幸運的事情！如果你剛好是一位高逼格的面試官，你也可以拿這道題去面試對面“望穿秋水”般的小夥伴，測試一下他的掌握程度。
　　
　　好啦！步入正題！我們先探討一下Redis是什麼，Redis為什麼這麼快、然後在探討一下為什麼Redis是單線程的？
　　
　　二、Redis簡介
　　
　　Redis是一個開源的記憶體中的資料結構儲存系統，它可以用作：資料庫、緩衝和訊息中介軟體。
　　
　　它支援多種類型的資料結構，如字串（String），散列（Hash），列表（List），集合（Set），有序集合（Sorted Set或者是ZSet）與範圍查詢，Bitmaps，Hyperloglogs 和地理空間（Geospatial）索引半徑查詢。其中常見的資料結構類型有：String、List、Set、Hash、ZSet這5種。
　　
　　Redis 內建了複製（Replication），LUA指令碼（Lua scripting）， LRU驅動事件（LRU eviction），事務（Transactions） 和不同層級的磁碟持久化（Persistence），並通過 Redis哨兵（Sentinel www.xucaizxyl.com）和自動分區（Cluster）提供高可用性（High Availability）。
　　
　　Redis也提供了持久化的選項，這些選項可以讓使用者將自己的資料儲存到磁碟上面進行儲存。根據實際情況，可以每隔一定時間將資料集匯出到磁碟（快照），或者追加到命令日誌中（AOF只追加檔案），他會在執行寫命令時，將被執行的寫命令複製到硬碟裡面。您也可以關閉持久化功能，將Redis作為一個高效的網路的快取資料功能使用。
　　
　　Redis不使用表，他的資料庫不會預定義或者強制去要求使用者對Redis儲存的不同資料進行關聯。
　　
　　資料庫的工作模式按儲存方式可分為：硬碟資料庫和記憶體資料庫。Redis 將資料儲存在記憶體裡面，讀寫資料的時候都不會受到硬碟 I/O 速度的限制，所以速度極快。
　　
　　（1）硬碟資料庫的工作模式：
　　
　　這裡寫圖片描述
　　
　　（2）記憶體資料庫的工作模式：
　　
　　這裡寫圖片描述
　　
　　看完上述的描述，對於一些常見的Redis相關的面試題，是否有所認識了，例如：什麼是Redis、Redis常見的資料結構類型有哪些、Redis是如何進行持久化的等。
　　
　　三、Redis到底有多快
　　
　　Redis採用的是基於記憶體的採用的是單進程單執行緒模式的 KV 資料庫，由C語言編寫，官方提供的資料是可以達到100000+的QPS（每秒內查詢次數）。這個資料不比採用單進程多線程的同樣基於記憶體的 KV 資料庫 Memcached 差！有興趣的可以參考官方的基準程式測試《How fast is Redis？》（https://redis.io/topics/www.huayyule.com benchmarks）
　　
　　這裡寫圖片描述
　　
　　橫軸是串連數，縱軸是QPS。此時，這張圖反映了一個數量級，希望大家在面試的時候可以正確的描述出來，不要問你的時候，你回答的數量級相差甚遠！
　　
　　四、Redis為什麼這麼快
　　
　　1、完全基於記憶體，絕大部分請求是純粹的記憶體操作，非常快速。資料存在記憶體中，類似於HashMap，HashMap的優勢就是尋找和操作的時間複雜度都是O(1)；
　　
　　2、資料結構簡單，對資料操作也簡單，Redis中的資料結構是專門進行設計的；
　　
　　3、採用單線程，避免了不必要的環境切換和競爭條件，也不存在多進程或者多線程導致的切換而消耗 CPU，不用去考慮各種鎖的問題，不存在加鎖釋放鎖操作，沒有因為可能出現死結而導致的效能消耗；
　　
　　4、使用多路I/O複用模型，非阻塞IO；
　　
　　5、使用底層模型不同，它們之間底層實現方式以及與用戶端之間通訊的應用協議不一樣，Redis直接自己構建了VM 機制 ，因為一般的系統調用系統函數的話，會浪費一定的時間去移動和請求；
　　
　　以上幾點都比較好理解，下邊我們針對多路 I/O 複用模型進行簡單的探討：
　　
　　（1）多路 I/O 複用模型
　　
　　多路I/O複用模型是利用 select、poll、epoll 可以同時監察多個流的 I/O 事件的能力，在閒置時候，會把當前線程阻塞掉，當有一個或多個流有 I/O 事件時，就從阻塞態中喚醒，於是程式就會輪詢一遍所有的流（epoll 是只輪詢那些真正發出了事件的流），並且只依次順序的處理就緒的流，這種做法就避免了大量的無用操作。
　　
　　這裡“多路”指的是多個網路連接，“複用”指的是複用同一個線程。採用多路 I/O 複用技術可以讓單個線程高效的處理多個串連請求（盡量減少網路 IO 的時間消耗），且 Redis 在記憶體中操作資料的速度非常快，也就是說記憶體內的操作不會成為影響Redis效能的瓶頸，主要由以上幾點造就了 Redis 具有很高的輸送量。
　　
　　五、那麼為什麼Redis是單線程的
　　
　　我們首先要明白，上邊的種種分析，都是為了營造一個Redis很快的氛圍！官方FAQ表示，因為Redis是基於記憶體的操作，CPU不是Redis的瓶頸，Redis的瓶頸最有可能是機器記憶體的大小或者網路頻寬。既然單線程容易實現，而且CPU不會成為瓶頸，那就順理成章地採用單線程的方案了（畢竟採用多線程會有很多麻煩！）。
　　
　　這裡寫圖片描述
　　
　　可以參考：https://redis.io/topics/faq
　　
　　看到這裡，你可能會氣哭！本以為會有什麼重大的技術要點才使得Redis使用單線程就可以這麼快，沒想到就是一句官方看似糊弄我們的回答！但是，我們已經可以很清楚的解釋了為什麼Redis這麼快，並且正是由於在單線程模式的情況下已經很快了，就沒有必要在使用多線程了！
　　
　　但是，我們使用單線程的方式是無法發揮多核CPU 效能，不過我們可以通過在單機開多個Redis 執行個體來完善！
　　
　　警告1：這裡我們一直在強調的單線程，只是在處理我們的網路請求的時候只有一個線程來處理，一個正式的Redis Server啟動並執行時候肯定是不止一個線程的，這裡需要大家明確的注意一下！例如Redis進行持久化的時候會以子進程或者子線程的方式執行（具體是子線程還是子進程待讀者深入研究）；例如我在測試伺服器上查看Redis進程，然後找到該進程下的線程：
　　
　　這裡寫圖片描述
　　
　　ps命令的“-T”參數表示顯示線程（Show threads, possibly with SPID column.）“SID”欄表示線程ID，而“CMD”欄則顯示了線程名稱。
　　
　　警告2：在中FAQ中的最後一段，表述了從Redis 4.0版本開始會支援多線程的方式，但是，只是在某一些操作上進行多線程的操作！所以該篇文章在以後的版本中是否還是單線程的方式需要讀者考證！
　　
　　六、注意點
　　
　　1、我們知道Redis是用”單線程-多工IO模型”來實現高效能的記憶體資料服務的，這種機制避免了使用鎖，但是同時這種機制在進行sunion之類的比較耗時的命令時會使redis的並發下降。因為是單一線程，所以同一時刻只有一個操作在進行，所以，耗時的命令會導致並發的下降，不只是讀並發，寫並發也會下降。而單一線程也只能用到一個CPU核心，所以可以在同一個多核的伺服器中，可以啟動多個執行個體，組成master-master或者master-slave的形式，耗時的讀命令可以完全在slave進行。
　　
　　需要改的redis.conf項：
　　
　　pidfile /var/run/redis/redis_6377.pid #pidfile要加上連接埠號碼
　　
　　port 6377 #這個是必須改的
　　
　　logfile /var/log/redis/redis_6377.log #logfile的名稱也加上連接埠號碼
　　
　　dbfilename dump_6377.rdb #rdbfile也加上連接埠號碼
　　
　　2、“我們不能任由作業系統負載平衡，因為我們自己更瞭解自己的程式，所以，我們可以手動地為其分配CPU核，而不會過多地佔用CPU，或是讓我們關鍵進程和一堆別的進程擠在一起。”。
　　
　　CPU 是一個重要的影響因素，由於是單執行緒模式，Redis 更喜歡大緩衝快速 CPU， 而不是多核
　　
　　在多核 CPU 伺服器上面，Redis 的效能還依賴NUMA 配置和處理器綁定位置。最明顯的影響是 redis-benchmark 會隨機使用CPU核心。為了獲得精準的結果，需要使用固定處理器工具（在 Linux 上可以使用 taskset）。最有效辦法是將用戶端和服務端分離到兩個不同的 CPU 來高校使用三級緩衝。
　　
　　七、擴充
　　
　　以下也是你應該知道的幾種模型，祝你的面試一臂之力！
　　
　　1、單進程多執行緒模式：MySQL、Memcached、Oracle（www.tygj178.com Windows版本）；
　　
　　2、多進程模型：Oracle（Linux版本）；
　　
　　3、Nginx有兩類進程，一類稱為Master進程(相當於管理進程)，另一類稱為Worker進程（實際背景工作處理序）。啟動方式有兩種：
　　
　　（1）單進程啟動：此時系統中僅有一個進程，該進程既充當Master進程的角色，也充當Worker進程的角色。
　　
　　（2）多進程啟動：此時系統有且僅有一個Master進程，至少有一個Worker進程工作。
　　
　　（3）Master進程主要進行一些全域性的初始化工作和管理Worker的工作；事件處理是在Worker中進行的。

為什麼說Redis是單線程的以及Redis為什麼這麼快！