BAT面试必考题:高并发场景下单线程的Redis为什么还这门快?

x33g5p2x  于2022-04-22 转载在 Redis  
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缓存在高并发的场景的作用不言而喻,号称高并发架构的基石,其中最为典型代表非Redis莫属。

无论你是想面试通关,还是实战中用好Redis,理解Redis的设计精髓,就变得很重要。

今天主要分享Redis关于单线程以及高并发场景的核心设计。

01 Redis高并发场景快的原因?

1.redis是基于内存的,内存的读写速度非常快;

2.redis是单线程的,省去了很多上下文切换线程的时间;

3.redis使用多路复用技术,可以处理并发的连接。非阻塞IO 内部实现采用epoll,采用了epoll+自己实现的简单的事件框架。epoll中的读、写、关闭、连接都转化成了事件,然后利用epoll的多路复用特性,绝不在io上浪费一点时间。

下面重点介绍单线程设计和IO多路复用核心设计快的原因。

02 为什么Redis是单线程?

1.官方答案

因为Redis是基于内存的操作,CPU不是Redis的瓶颈,Redis的瓶颈最有可能是机器内存的大小或者网络带宽。既然单线程容易实现,而且CPU不会成为瓶颈,那就顺理成章地采用单线程的方案了。

2.性能指标

关于Redis的性能,官方网站也有,普通笔记本轻松处理每秒几十万的请求。

3.详细原因

1)不需要各种锁的性能消耗

Redis的数据结构并不全是简单的Key-Value,还有list,hash等复杂的结构,这些结构有可能会进行很细粒度的操作,比如在很长的列表后面添加一个元素,在hash当中添加或者删除一个对象。这些操作可能就需要加非常多的锁,导致的结果是同步开销大大增加。在此我向大家推荐一个架构学习交流圈。交流学习指导伪鑫:1253431195(里面有大量的面试题及答案)里面会分享一些资深架构师录制的视频录像:有Spring,MyBatis,Netty源码分析,高并发、高性能、分布式、微服务架构的原理,JVM性能优化、分布式架构等这些成为架构师必备的知识体系。还能领取免费的学习资源,目前受益良多

总之,在单线程的情况下,就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。

2)单线程多进程集群方案

单线程的威力实际上非常强大,每核心效率也非常高,多线程自然是可以比单线程有更高的性能上限,但是在今天的计算环境中,即使是单机多线程的上限也往往不能满足需要了,需要进一步摸索的是多服务器集群化的方案,这些方案中多线程的技术照样是用不上的。

所以单线程、多进程的集群不失为一个时髦的解决方案。

3)CPU消耗

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。

但是如果CPU成为Redis瓶颈,或者不想让服务器其他CUP核闲置,那怎么办?

可以考虑多起几个Redis进程,Redis是key-value数据库,不是关系数据库,数据之间没有约束。只要客户端分清哪些key放在哪个Redis进程上就可以了。

03 Redis单线程的优劣势

单进程单线程优势

  1. 代码更清晰,处理逻辑更简单
  2. 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
  3. 不存在多进程或者多线程导致的切换而消耗CPU

单进程单线程弊端

  1. 无法发挥多核CPU性能,不过可以通过在单机开多个Redis实例来完善;

04 IO多路复用技术

Redis 采用网络IO多路复用技术来保证在多连接的时候, 系统的高吞吐量。

多路-指的是多个socket连接,复用-指的是复用一个线程。

多路复用主要有三种技术:select,poll,epoll,epoll是最新的也是目前最好的多路复用技术。

这里“多路”指的是多个网络连接,“复用”指的是复用同一个线程。

采用多路 I/O 复用技术可以让单个线程高效的处理多个连接请求(尽量减少网络IO的时间消耗),且Redis在内存中操作数据的速度非常快(内存内的操作不会成为这里的性能瓶颈),主要以上两点造就了Redis具有很高的吞吐量。

05 Redis高并发快总结

  1. Redis是纯内存数据库,一般都是简单的存取操作,线程占用的时间很多,时间的花费主要集中在IO上,所以读取速度快。

  2. 再说一下IO,Redis使用的是非阻塞IO,IO多路复用,使用了单线程来轮询描述符,将数据库的开、关、读、写都转换成了事件,减少了线程切换时上下文的切换和竞争。

  3. Redis采用了单线程的模型,保证了每个操作的原子性,也减少了线程的上下文切换和竞争。

  4. 另外,数据结构也帮了不少忙,Redis全程使用hash结构,读取速度快,还有一些特殊的数据结构,对数据存储进行了优化,如压缩表,对短数据进行压缩存储,再如,跳表,使用有序的数据结构加快读取的速度。

  5. 还有一点,Redis采用自己实现的事件分离器,效率比较高,内部采用非阻塞的执行方式,吞吐能力比较大。

如果对java微服务、分布式、高并发、高可用、大型互联网架构技术、面试经验交流。

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