读源码搞懂为什么Redis用单线程还这么快

作者 | 神技圈子       责编 | 欧阳姝黎

出品 | CSDN博客

前言

通常来说Redis是单线程，主要是指redis的网络IO和读写键值对是由一个线程完成的。这也是redis对外提供键值存储服务的主要流程。但是其它功能，比如持久化，集群数据同步等，其实是由额外的线程执行的。

所以，redis并不是完全意义上的单线程，只是一般把它成为单线程高性能的典型代表。那么，很多小伙伴会提问，为什么用单线程？为什么单线程能这么快。

Redis为什么用单线程

首先我们要得了解下多线程的开销问题。平时写程序很多人都觉得使用多线程，可以增加系统吞吐率，或者增加系统扩展性。的确对于一个多线程的系统来说，在合理的资源分配情况下，确实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。但是，如果没有良好的系统设计经验，实际得到的结果，其实会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，系统吞吐率就增加迟缓了，甚至会出现下降的情况。

为什么会出现这种情况呢？关键的性能瓶颈就是系统中多线程同时对临界资源的访问。比如当有多个线程要修改一个共享的数据，为了保证资源的正确性，就需要类似互斥锁这样额外的机制才能保证，这个额外的机制是需要额外开销的。比如，redis有个数据类型List，它提供出队（LPOP）和入队（LPUSH）操作。假设redis采用多线程设计。现在假设有两个线程T1和T2线程T1对一个List执行LPUSH操作，线程T2对该List执行LPOP操作，并对队列长度减1。为了保证队列长度的正确性，需要让这两个线程的LPUSH和LPOP串行执行，否则，我们可能就会得到错误的长度结果。这就是多线程编程经常会遇到的共享资源并发访问控制问题。

而且多线程开发中，并发控制一直是多线程开发的难点问题。如果没有设计经验，只是简单地采用一个粗粒度的互斥锁，就会出现不理想的结果那就是即使增加了线程，大部分线程也在等待获取访问临界资源的互斥锁，造成并行变串行，系统吞吐率并没有随着线程的增加而增加。

单线程Redis为什么这么快

通常单线程的处理能力要比多线程差很多，但是Redis却能用单线程模型达到每秒种十万级别的处理能力。为什么呢？

一方面，Redis的大部分操作都在内存上完成，再加上它采用了高效的数据结构（比如哈希表、跳表）。

另一方面，Redis采用了多路复用机制，能在网络IO操作中能并发处理大量的客户端请求，从而实现高吞吐率。那么Redis为什么要采用多路复用呢？

如上图所示，Redis为了处理一个get请求流程如下，需要监听客户端请求(bind/listen)，然后和客户端建立连接（accept）。从socket中读取请求（recv），解析客户端发送请求后，根据请求类型读取键值数据（get），最后将结果返回给客户端（send）。其中accept()和recv()默认是阻塞操作。当Redis监听一个客户端有连接请求，但是一直未能成功建立连接时就会阻塞在accept()函数，这样容易导致其它客户端无法和Redis建立连接。同样，当Redist通过recv()从一个客户端读取数据时，如果数据一直没有到达，Redis也会阻塞在recv()。所以，这都会造成Redis整个线程阻塞，无法处理其它客户端请求，效率极低。因此，需要将socket设置为非阻塞。

Redis的非阻塞模式

socket网络模型的非阻塞模式设置。一般主要调用fcntl。示例代码如下

    int flag 
    
    flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
    if(flags < 0)
    {
      ...
    }
    flags |= O_NONBLOCK;
    if(fcntl(fd, F_SETFL, flags) < 0)
    {
       ...
       return -1;
   }

在Redis的anet.c文件中也是的非阻塞代码也是类似逻辑。用anetSetBlock函数处理，函数定义如下：

int anetSetBlock(char *err, int fd, int non_block) {
    int flags;

    /* Set the socket blocking (if non_block is zero) or non-blocking.
     * Note that fcntl(2) for F_GETFL and F_SETFL can't be
     * interrupted by a signal. */
    if ((flags = fcntl(fd, F_GETFL)) == -1) {
        anetSetError(err, "fcntl(F_GETFL): %s", strerror(errno));
        return ANET_ERR;
    }

    /* Check if this flag has been set or unset, if so, 
     * then there is no need to call fcntl to set/unset it again. */
    if (!!(flags & O_NONBLOCK) == !!non_block)
        return ANET_OK;

    if (non_block)
        flags |= O_NONBLOCK;
    else
        flags &= ~O_NONBLOCK;

    if (fcntl(fd, F_SETFL, flags) == -1) {
        anetSetError(err, "fcntl(F_SETFL,O_NONBLOCK): %s", strerror(errno));
        return ANET_ERR;
    }
    return ANET_OK;
}

监听套接字设置为非阻塞模式，Redis调动accept()函数但一直未有连接请求到达时，Redis线程可以返回处理其它操作，而不用一直等待。类似的，也可以针对已连接套接字设置非阻塞模式，Redis调用recv()后，如果已连接套接字上一直没有数据到达，Redis线程同样可以返回处理其它操作。但是我们也需要有机制继续监听该已连接套接字，并在有数据到达时通知Redis。这样才能保证Redis线程，即不会像基本IO模型中一直阻塞点等待，也不会导致Redis无法处理实际到达的连接请求。

基于EPOLL机制实现

Linux中的IO多路复用是指一个执行体可以同时处理多个IO流，就是经常听到的select/EPOLL机制。该机制可以允许内核中同时允许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。一旦有请求到达就会交给Redis线程处理。

Redis网络框架基于EPOLL机制，此时，Redis线程不会阻塞在某个特定的监听或已连接套接字上，也就不会阻塞在某一个特定的客户端请求处理上。所以，Redis可以同时处理多个客户端的连接请求。如下图

为了在请求到达时能通知到Redis线程，EPOLL提供了事件的回调机制。即针对不同事件调用相应的处理函数。下面我们就来介绍下它是如何实现的

文件事件

Redis用如下结构体来记录一个文件事件：

/* File event structure */
typedef struct aeFileEvent {
    int mask; /* one of AE_(READABLE|WRITABLE|BARRIER) */
    aeFileProc *rfileProc;
    aeFileProc *wfileProc;
    void *clientData;
} aeFileEvent;

结构中通过mask来描述发生了什么事件：

• AE_READABLE：文件描述符可读

• AE_WRITABLE：文件描述符可写

• AE_BARRIER：文件描述符阻塞

那么，回调机制怎么工作的呢？其实rfileProc和wfileProc分别就是读事件和写事件发生时的回调函数。它们对应的函数如下

typedef void aeFileProc(struct aeEventLoop *eventLoop, int fd, void *clientData, int mask);

事件循环

Redis用如下结构体来记录系统中注册的事件及其状态：

/* State of an event based program */
typedef struct aeEventLoop {
    int maxfd;   /* highest file descriptor currently registered */
    int setsize; /* max number of file descriptors tracked */
    long long timeEventNextId;
    time_t lastTime;     /* Used to detect system clock skew */
    aeFileEvent *events; /* Registered events */
    aeFiredEvent *fired; /* Fired events */
    aeTimeEvent *timeEventHead;
    int stop;
    void *apidata; /* This is used for polling API specific data */
    aeBeforeSleepProc *beforesleep;
    aeBeforeSleepProc *aftersleep;
} aeEventLoop;

这一结构体中，最主要的就是文件事件指针events和时间事件头指针timeEventHead。文件事件指针event指向一个固定大小（可配置）数组，通过文件描述符作为下标，可以获取文件对应的事件对象。

aeApiAddEvent函数

这个函数主要用来关联事件到EPOLL，所以会调用epoll的ctl方法定义如下：

static int aeApiAddEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask) {
    aeApiState *state = eventLoop->apidata;
    struct epoll_event ee = {0}; /* avoid valgrind warning */
    /* If the fd was already monitored for some event, we need a MOD
     * operation. Otherwise we need an ADD operation.
     *
     * 如果 fd 没有关联任何事件，那么这是一个 ADD 操作。
     * 如果已经关联了某个/某些事件，那么这是一个 MOD 操作。
   */
    int op = eventLoop->events[fd].mask == AE_NONE ?
            EPOLL_CTL_ADD : EPOLL_CTL_MOD;

    ee.events = 0;
    mask |= eventLoop->events[fd].mask; /* Merge old events */
    if (mask & AE_READABLE) ee.events |= EPOLLIN;
    if (mask & AE_WRITABLE) ee.events |= EPOLLOUT;
    ee.data.fd = fd;
    if (epoll_ctl(state->epfd,op,fd,&ee) == -1) return -1;
    return 0;
}

当Redis服务创建一个客户端请求的时候会调用，会注册一个读事件。

当Redis需要给客户端写数据的时候会调用prepareClientToWrite。这个方法主要是注册对应fd的写事件。

如果注册失败，Redis就不会将数据写入缓冲。

如果对应套件字可写，那么Redis的事件循环就会将缓冲区新数据写入socket。

事件注册函数aeCreateFileEvent

这个是文件事件的注册过程，函数实现如下

int aeCreateFileEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask,
        aeFileProc *proc, void *clientData)
{
    if (fd >= eventLoop->setsize) {
        errno = ERANGE;
        return AE_ERR;
    }
    aeFileEvent *fe = &eventLoop->events[fd];

    if (aeApiAddEvent(eventLoop, fd, mask) == -1)
        return AE_ERR;
    fe->mask |= mask;
    if (mask & AE_READABLE) fe->rfileProc = proc;
    if (mask & AE_WRITABLE) fe->wfileProc = proc;
    fe->clientData = clientData;
    if (fd > eventLoop->maxfd)
        eventLoop->maxfd = fd;
    return AE_OK;
}

这个函数首先根据文件描述符获得文件事件对象，接着在操作系统中添加自己关心的文件描述符（利用上面提到的addApiAddEvent函数），最后将回调函数记录到文件事件对象中。因此，一个线程就可以同时监听多个文件事件，这就是IO多路复用了。

aeMain函数

Redis事件处理器的主循环

void aeMain(aeEventLoop *eventLoop) {
    eventLoop->stop = 0;
    while (!eventLoop->stop) {
       //开始处理事件
        aeProcessEvents(eventLoop, AE_ALL_EVENTS|
                                   AE_CALL_BEFORE_SLEEP|
                                   AE_CALL_AFTER_SLEEP);
    }
}

这个方法最终会调用epoll_wait()获取对应事件并执行。

这些事件会放进一个事件队列，Redis单线程会对该事件队列不断进行处理。比如当有读请求到达时，读请求对应读事件。Redis对这个事件注册get回调函数。当内核监听到有读请求到达时，就会触发读事件，这个时候就会回调Redis相应的get函数。

向客户端返回数据

Redis完成请求后，Redis并非处理完一个请求后就注册一个写文件事件，然后事件回调函数中往客户端写回结果。检测到文件事件发生后，Redis对这些文件事件进行处理，即调用rReadProc或writeProc回调函数。处理完成后，对于需要向客户端写回的数据，先缓存到内存中。

typedef struct client {
      ...
      list *reply;            /* List of reply objects to send to the client. */
      ...
       int bufpos;
       char buf[PROTO_REPLY_CHUNK_BYTES];
} client;

发送给客户端的数据会存放到两个地方：

• reply指针存放待发送的对象；

• buf中存放待返回的数据，bufpos指示数据中的最后一个字节所在位置。

  注意：只要能存放在buf中，就尽量存入buf字节数组中，如果buf存不下了，才存放在reply对象数组中。

  写回客户端发生在进入下一次等待文件事件之前，会调用以下函数处理写回逻辑

int writeToClient(int fd, client *c, int handler_installed) {
    while(clientHasPendingReplies(c)) {
        if (c->bufpos > 0) {
            nwritten = write(fd,c->buf+c->sentlen,c->bufpos-c->sentlen);
            if (nwritten <= 0) break;
            c->sentlen += nwritten;
            totwritten += nwritten;
            if ((int)c->sentlen == c->bufpos) {
                c->bufpos = 0;
                c->sentlen = 0;
            }
        } else {
            o = listNodeValue(listFirst(c->reply));
            objlen = o->used;
            if (objlen == 0) {
                c->reply_bytes -= o->size;
                listDelNode(c->reply,listFirst(c->reply));
                continue;
            }

            nwritten = write(fd, o->buf + c->sentlen, objlen - c->sentlen);
            if (nwritten <= 0) break;
            c->sentlen += nwritten;
            totwritten += nwritten;
        }
    }
}