Redis 线程模型

Redis 线程模型

• 背景
• 简介
• [Redis 单线程](#Redis 单线程)
• • [客户端发起 Redis 请求命令的工作原理](#客户端发起 Redis 请求命令的工作原理)
  • 单线程面临的挑战及问题
• [Redis 多线程](#Redis 多线程)
• • [Redis v4.0 多线程命令](#Redis v4.0 多线程命令)
  • [Redis v6.0 多线程网络模型](#Redis v6.0 多线程网络模型)
• 总结

背景

随着年龄的增长，很多曾经烂熟于心的技术原理已被岁月摩擦得愈发模糊起来，技术出身的人总是很难放下一些执念，遂将这些知识整理成文，以纪念曾经努力学习奋斗的日子。本文内容并非完全原创，大多是参考其他文章资料整理所得，感谢每位技术人的开源精神。

简介

本文介绍 Redis 线程模型的原理及演进，主要介绍 Redis 核心网络模型。

Redis 单线程

早期的 Redis 版本（准确点说是 Redis v4.0 之前的版本）使用的是单线程模型，Redis 官方给出的解释是：Redis 的瓶颈通常不会是 CPU ，因为大多数请求都是 I/O 密集型而非 CPU 密集型，如果不考虑 RDB/AOF 等持久化方案，Redis 是完全的纯内存操作，执行速度非常快。Redis 真正的性能瓶颈在网络 I/O ，也就是客户端与服务器之间的网络传输延迟。除此之外，单线程也可避免过多的上下文切换开销及线程同步机制开销，对 Redis 的设计、开发及维护也更加简单。

Redis v6.0 版本之前，核心网络模型一直是一个典型的 单 Reactor 模型，利用 select / epoll / kqueue 等 I/O 多路复用技术，在单线程事件循环中不断去处理客户端请求事件，最后回写响应数据到客户端。

核心概念：

• client：客户端对象，Redis 是典型的 CS 架构（Client - Server），客户端通过 Socket 与服务器建立连接并发送请求命令，服务器执行请求的命令并回写响应。Redis 使用结构体 client 存储客户端所有相关信息，包括套接字连接（*conn）、当前选择的数据库指针（*db）、读入缓冲区（querybuf）、写出缓冲区（buf）、写出数据链表（reply）等。
• aeApiPoll：I/O 多路复用 API，是基于 select / epoll_wait / kevent 等系统调用的封装，监听等待读写事件触发，然后处理，它是事件循环（Event Loop）中的核心函数，是事件驱动得以运行的基础。
• acceptTcpHandler：连接应答处理器，底层使用系统调用 accept 接受来自客户端的新连接，并为新连接注册绑定命令读取处理器，以备后续处理新的客户端 TCP 连接；除了这个处理器，还有对应的 acceptUnixHandler 负责处理 Unix Domain Socket 以及 acceptTLSHandler 负责处理 TLS 加密连接。
• readQueryFromClient：命令读取处理器，解析并执行客户端的请求命令。
• beforeSleep：事件循环中进入 aeApiPoll 等待事件到来之前会执行的函数，其中包含一些日常的任务，比如把 client->buf 或者 client->reply 中的响应写回到客户端，持久化 AOF 缓冲区的数据到磁盘等，相对应的还有一个 afterSleep 函数，在 aeApiPoll 之后执行。
• sendReplyToClient：命令回复处理器，当一次事件循环之后写出缓冲区中还有数据残留，则这个处理器会被注册绑定到相应的连接上，等连接触发写就绪事件时，它会将写出缓冲区剩余的数据回写到客户端。

Redis 内部实现了一个高性能的事件库 --- AE，基于 epoll / select / kqueue / evport 四种事件驱动技术，实现 Linux / MacOS / FreeBSD / Solaris 多平台的高性能事件循环模型。Redis 的核心网络模型正式构筑在 AE 之上，包括 I/O 多路复用、各类处理器的注册绑定，都是基于此才得以运行。

客户端发起 Redis 请求命令的工作原理

1. Redis 服务器启动，开启主线程事件循环（Event Loop），注册 acceptTcpHandler 连接应答处理器到用户配置的监听端口对应的文件描述符，等待新连接带来；
2. 客户端和服务器建立网络连接；
3. accpetTcpHandler 被调用，主线程使用 AE 的 API 将 readQueryFromClient 命令读取处理器绑定到新连接对应的文件描述符上，并初始化一个 client 绑定这个客户端连接；
4. 客户端发送请求命令，触发读就绪事件，主线程调用 readQueryFromClient 通过 Socket 读取客户端发送过来的命令存入 client->querybuf 读入缓冲区；
5. 调用 processInputBuffer，在其中使用 processInlineBuffer 或者 processMultibulkBuffer 根据 Redis 协议解析命令，最后调用 processCommand 执行命令；
6. 根据请求命令的类型（SET / GET / DEL / EXEC / ...），分配响应的命令执行器去执行，最后调用 addReply 函数族的一系列函数将响应数据写入到对应 client 的写出缓冲区：client->buf 或者 client->reply，client->buf 是首选的写出缓冲区，固定大小16KB，一般来说可以缓冲足够多的响应数据，但是如果客户端在时间窗口内需要响应的数据非常大，那么则会自动切换到 client->reply 链表上去，使用链表理论上能够保存无限大的数据（受限于机器的物理内存），最后把 client 添加进一个 LIFO 队列 clients_pending_write；
7. 在事件循环（Event Loop）中，主线程执行 beforeSleep -> handleClientsWithPendingWrites，遍历 clients_pending_write 队列，调用 writeToClient 把 client 的写出缓冲区理的数据回写到客户端，如果写出缓冲区还有数据遗留，，则注册 sendReplyToClient 命令回写处理器到该连接的写就绪事件，等待客户端可写时在事件循环中再继续回写残余的响应数据。

单线程面临的挑战及问题

Redis 中存在一些非常耗时的命令，这些命令的执行可能会阻塞单线程的事件循环，譬如 Redis 的 DEL 命令可用于删除一个或多个 key 存储的值，这是个阻塞命令，大多数情况下需要一次性删除的 key 中存储的值不会特别多，但如果遇到需要删除一个超大键值对的场景时，DEL 命令执行可能会阻塞，又因为事件循环是单线程的，所以也会同步阻塞后续的其他事件，导致吞吐量下降。

Redis 多线程

Redis v4.0 多线程命令

Redis v4.0 版本引入多线程，将一些可能耗时阻塞单线程事件循环的命令执行异步化，增加了一些非阻塞命令，如：UNLINK、FLUSHALL ASYNC、FLUSHDB ASYNC。其中 UNLINK 命令其实就是 DEL 的异步版本，UNLINK 不会同步删除数据，知识将 key 从 keyspace 中暂时移除，然后将任务添加到一个异步队列，最后由后台线程去删除，但使用 UNLINK 去删除一个很小的 key 时开销反而更大，所以删除前会先计算一个开销阈值，只有当这个值大于 64 才会使用异步删除，对于基本数据类型，如 List、Set、Hash，阈值就是其中存储的对象数量。

不过需要注意的是，Redis v4.0 的核心网络模型仍然是单线程的。

Redis v6.0 多线程网络模型

Redis v6.0 版本开始在核心网络模型中引入多线程，原因是 Redis 的网络 I/O 瓶颈已愈加明显。Redis 单线程模式导致系统消耗很多 CPU 时间在网络 I/O 上，从而降低了吞吐量，要提升 Redis 性能可以考虑两个方向：

• 优化网络 I/O 模块
• 提高机器内存读写速度（依赖于硬件发展）

Redis v6.0 版本引入了 I/O Threading 多线程，利用多核的优势优化网络 I/O。

1. Redis 服务器启动，开启主线程事件循环（Event Loop），注册 acceptTcpHandler 连接应答处理器到用户配置的监听端口对应的文件描述符，等待新连接请求；
2. 客户端和服务器建立网络连接；
3. acceptTcpHandler 被调用，主线程使用 AE 的 API 将 readQueryFromClient 命令读取处理器绑定到新连接对应的文件描述符上，并初始化一个 client 绑定这个客户端连接；
4. 客户端发送请求命令，触发读就绪事件，服务器主线程不会通过 Socket 去读取客户端的请求命令，而是先将 client 放入一个 LIFO 队列 clients_pending_read；
5. 在事件循环（Event Loop）中，主线程执行 beforeSleep -> handleClientsWithPendingReadsUsingThreads，利用 Round-Robin 轮询负载均衡策略，把 clients_pending_read 队列中的连接均匀地分配给 I/O 线程各自的本地 FIFO 任务队列 io_threads_list[id] 和主线程自己，I/O 线程通过 Socket 读取客户端的请求命令，存入 client->querybuf 并解析第一个命令，但不执行命令，主线程忙轮询，等待所有 I/O 线程完成读取任务；
6. 主线程和所有 I/O 线程都完成了读取任务，主线程结束忙轮询，遍历 clients_pending_read 队列，执行所有客户端连接的请求命令，先调用 processCommandAndResetClient 执行第一条已经解析好的命令，然后调用 processInputBuffer 解析并执行客户端连接的所有命令，在其中使用 processInlineBuffer 或者 processMultibulkBuffer 根据 Redis 协议解析命令，最后调用 processCommand 执行命令；
7. 根据请求命令的类型（SET / GET / DEL / EXEC / ...），分配相应的命令执行器去执行，最后调用 addReply 函数族的一系列函数将响应数据写入到对应 client 的写出缓冲区：client->buf 或者 client->reply，client->buf 是首选的写出缓冲区，固定大小 16 KB，一般来说可以缓冲足够多的响应数据，但是如果客户端在时间窗口内需要响应的数据非常大，那么则会自动切换到 client->reply 链表上去，使用链表理论上能够保存无限大的数据（受限于机器的物理内存），最后把 client 添加进一个 LIFO 队列 clients_pending_write；
8. 在事件循环（Event Loop）中，主线程执行 beforeSleep -> handleClientsWithPendingWritesUsingThreads，利用 Round-Robin 轮询负载均衡策略，把 clients_pending_write 队列中的连接均匀地分配给 I/O 线程各自的本地 FIFO 任务队列 io_threads_list[id] 和主线程自己，I/O 线程通过调用 writeToClient 把 client 的写出缓冲区里的数据回写到客户端，主线程忙轮询，等待所有 I/O 线程完成写出任务；
9. 主线程和所有 I/O 线程都完成了写出任务， 主线程结束忙轮询，遍历 clients_pending_write 队列，如果 client 的写出缓冲区还有数据遗留，则注册 sendReplyToClient 到该连接的写就绪事件，等待客户端可写时在事件循环中再继续回写残余的响应数据。

总结

• Redis v6.0 版本之前的核心网络模型都是单线程 ；
• Redis v4.0 为解决一些耗时命令阻塞单线程事件循环的问题，引入多线程并增加了一些非阻塞命令，但此时核心网络模型仍然为单线程；
• Redis v6.0 版本开始，核心网络模型使用多线程，以解决网络 I/O 方面的瓶颈问题；
• Redis 单线程模型和多线程模型的区别在于，多线程模型把读取客户端请求命令和回写响应数据的逻辑异步化，交给 I/O 线程去完成，但是 I/O 线程仅负责读取和解析客户端命令，并不会真正去执行命令，客户端的命令执行最终还是在主线程上完成的。