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    Redis 新特性篇:多线程模型解读

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    Redis 新特性篇:多线程模型解读

    2024-04-18 09:07:17 阅读次数:46

    Redis,线程

    主要特性如下:

    1. 多线程处理网络 IO;
    2. 客户端缓存;
    3. 细粒度权限控制(ACL);
    4. ​​RESP3​​ 协议的使用;
    5. 用于复制的 RDB 文件不在有用,将立刻被删除;
    6. RDB 文件加载速度更快;

    其中备受关注的就是「多线程模型 + 客户端缓存」,我们只有掌握了新特性原理,才能判断什么时候使用 6.0 版本,如何用的更好更快,不踩坑

    官方答复:

    • 使用 Redis 时,几乎不存在 CPU 成为瓶颈的情况, Redis 主要受限于内存和网络。
    • 在一个普通的 Linux 系统上,Redis 通过使用​​pipelining​​ 每秒可以处理 100 万个请求,所以如果应用程序主要使用 O(N) 或O(log(N)) 的命令,它几乎不会占用太多 CPU。
    • 使用了单线程后,可维护性高。多线程模型虽然在某些方面表现优异,但是它却引入了程序执行顺序的不确定性,带来了并发读写的一系列问题,增加了系统复杂度、同时可能存在线程切换、甚至加锁解锁、死锁造成的性能损耗。

    Redis 通过 AE 事件模型以及 IO 多路复用等技术,处理性能非常高,因此没有必要使用多线程。

    单线程机制让 Redis 内部实现的复杂度大大降低,Hash 的惰性 Rehash、Lpush 等等『线程不安全』的命令都可以无锁进行。

    在《​​Redis 为什么这么快?​​》码哥有详细介绍快的原理。

    Redis 6.0 之前单线程指的是 Redis 只有一个线程干活么?

    非也,Redis 在处理客户端的请求时,包括获取 (socket 读)、解析、执行、内容返回 (socket 写) 等都由一个顺序串行的主线程处理,这就是所谓的「单线程」。

    其中执行命令阶段,由于 Redis 是单线程来处理命令的,所有每一条到达服务端的命令不会立刻执行,所有的命令都会进入一个 Socket 队列中,当 socket 可读则交给单线程事件分发器逐个被执行。

    Redis 新特性篇:多线程模型解读

    此外,有些命令操作可以用后台线程或子进程执行(比如数据删除、快照生成、AOF 重写)。

    码老湿,那 Redis 6.0 为啥要引入多线程呀?

    随着硬件性能提升,Redis 的性能瓶颈可能出现网络 IO 的读写,也就是:单个线程处理网络读写的速度跟不上底层网络硬件的速度。

    读写网络的 ​​read/write​​ 系统调用占用了Redis 执行期间大部分CPU 时间,瓶颈主要在于网络的 IO 消耗, 优化主要有两个方向:

    • 提高网络 IO 性能,典型的实现比如使用 ​​DPDK​​来替代内核网络栈的方式。
    • 使用多线程充分利用多核,提高网络请求读写的并行度,典型的实现比如 ​​Memcached​​

    添加对用户态网络协议栈的支持,需要修改 Redis 源码中和网络相关的部分(例如修改所有的网络收发请求函数),这会带来很多开发工作量。

    而且新增代码还可能引入新 Bug,导致系统不稳定。

    所以,Redis 采用多个 IO 线程来处理网络请求,提高网络请求处理的并行度。

    需要注意的是,Redis 多 IO 线程模型只用来处理网络读写请求,对于 Redis 的读写命令,依然是单线程处理。

    这是因为,网络处理经常是瓶颈,通过多线程并行处理可提高性能。

    而继续使用单线程执行读写命令,不需要为了保证 Lua 脚本、事务、等开发多线程安全机制,实现更简单。

    架构图如下:

    Redis 新特性篇:多线程模型解读图片来源:后端研究所

     

    ❝

    主线程与 IO 多线程是如何实现协作呢?

     

    如下图:

    Redis 新特性篇:多线程模型解读Redis多线程与IO线程

    主要流程:

    1.  
    2. 主线程负责接收建立连接请求,获取 ​​socket​​ 放入全局等待读处理队列;
    3. 主线程通过轮询将可读 ​​socket​​ 分配给 IO 线程;
    4. 主线程阻塞等待 IO 线程读取 ​​socket​​ 完成;
    5. 主线程执行 IO 线程读取和解析出来的 Redis 请求命令;
    6. 主线程阻塞等待 IO 线程将指令执行结果回写回 ​​socket​​完毕;
    7. 主线程清空全局队列,等待客户端后续的请求。
    8.  

    思路:将主线程 IO 读写任务拆分出来给一组独立的线程处理,使得多个 socket 读写可以并行化,但是 Redis 命令还是主线程串行执行。

     

    ❝

    如何开启多线程呢?

     

    Redis 6.0 的多线程默认是禁用的,只使用主线程。如需开启需要修改 ​​redis.conf​​​ 配置文件:​​io-threads-do-reads yes​​。

     

    ❝

    码老湿,线程数是不是越多越好?

     

    当然不是,关于线程数的设置,官方有一个建议:4 核的机器建议设置为 2 或 3 个线程,8核的建议设置为 6 个线程,线程数一定要小于机器核数。

    线程数并不是越大越好,官方认为超过了 8 个基本就没什么意义了。

    另外,开启多线程后,还需要设置线程数,否则是不生效的。

    io-threads 4
    
    
    

    总结与思考

    随着互联网的飞速发展,互联网业务系统所要处理的线上流量越来越大,Redis 的单线程模式会导致系统消耗很多 CPU 时间在网络 I/O 上从而降低吞吐量,要提升 Redis 的性能有两个方向:

    • 优化网络 I/O 模块
    • 提高机器内存读写的速度

    后者依赖于硬件的发展,暂时无解。所以只能从前者下手,网络 I/O 的优化又可以分为两个方向:

    • 零拷贝技术或者 DPDK 技术
    • 利用多核优势

    模型缺陷

    Redis 的多线程网络模型实际上并不是一个标准的 ​​Multi-Reactors/Master-Workers​​模型。

    Redis 的多线程方案中,I/O 线程任务仅仅是通过 socket 读取客户端请求命令并解析,却没有真正去执行命令。

    所有客户端命令最后还需要回到主线程去执行,因此对多核的利用率并不算高,而且每次主线程都必须在分配完任务之后忙轮询等待所有 I/O 线程完成任务之后才能继续执行其他逻辑。

    在我看来,Redis 目前的多线程方案更像是一个折中的选择:既保持了原系统的兼容性,又能利用多核提升 I/O 性能。

    版权声明:本文内容来自第三方投稿或授权转载,原文地址:https://blog.51cto.com/MageByte/4888109,作者:码哥字节1024,版权归原作者所有。本网站转在其作品的目的在于传递更多信息,不拥有版权,亦不承担相应法律责任。如因作品内容、版权等问题需要同本网站联系,请发邮件至ctyunbbs@chinatelecom.cn沟通。

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