Redis系列 - 单线程的Redis为什么那么快?

Redis为什么使用单线程?

在说这个问题之前我们先来了解下引入多线程常见的开销:

1. 上下文切换:

即使是单核CPU也支持多线程执行代码,CPU通过给每个线程分配CPU时间片来实现这个机制。时间片是CPU分配给各个线程的时间,因为时间片非常短,所以CPU通过不停地切换线程执行,让我们感觉多个线程时同时执行的,时间片一般是几十毫秒(ms)。

CPU通过时间片分配算法来循环执行任务,当前任务执行一个时间片后会切换到下一个任务。但是,在切换前会保存上一个任务的状态,以便下次切换回这个任务时,可以再次加载这个任务的状态,
从任务保存到再加载的过程就是一次上下文切换。

当一个新的线程被切换进来,它所需要的数据可能不在当前处理器的本地缓存中,因此上下文切换将导致一些缓存缺失,因而线程在首次调度运行时会更加缓慢。这也是为什么调度器为每个可运行的线程分配一个最小执行时间。

2. 内存同步

内存的可见性问题,这里不过多介绍。

3. 阻塞:

访问共享资源时需要加锁保证数据安全,当在锁上发生竞争时,竞争失败的线程会被阻塞。

 

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。

关键原因在于,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。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。

Redis为什么那么快?

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Redis是基于内存实现的
完全基于内存,绝大部分请求是纯粹的内存操作,非常快速。数据存在内存中,类似于HashMap,HashMap的优势就是查找和操作的时间复杂度都是O(1);

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数据结构简单,对数据操作也简单,Redis中的数据结构是专门进行设计的;

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采用单线程,避免了不必要的上下文切换和竞争条件,也不存在多进程或者多线程导致的切换而消耗
CPU,不用去考虑各种锁的问题,不存在加锁释放锁操作,没有因为可能出现死锁而导致的性能消耗;

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Redis的多路复用机制

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。

 

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