[Redis]单线程IO模型

(请注意redis在rdb持久化(bgsave)和重写aof(bgrewriteaof)的时候创建子线程)

Redis 是个单线程程序!这点必须铭记。也许你会怀疑高并发的 Redis 中间件怎么可能是单线程。很抱歉，它就是单线程,你的怀疑暴露了你基础知识的不足。莫要瞧不起单线程，除了Redis 之外，Node.js也是单线程，Nginx也是单线程，但是它们都是服务器高性能的典范。

Redis 单线程为什么还能这么快?

因为它的所有数据都在内存中，所有的运算都是内存级别的运算。正因为 Redis是单线程，所以要小心使用 Redis 指令，对于那些时间复杂度为 0(n)级别的指令,一定要谨慎使用，否则一不小心就可能会导致 Redis 卡顿。Redis 既然是单线程，如何能处理那么多的并发客户端连接?这个问题，很多中高级程序员都无法回答，因为他们没听过“多路复用”这个词汇，不知道 select 系列的事件轮询 API，没用过非阻塞 IO。

非阻塞IO#

当我们调用套接字的读写方法，默认它们是阻塞的，比如read 方法要传递进去一个参数 n，表示最多读取n个字节后再返回，如果一个字节都没有，线程就会卡在那里，直到新的数据到来或者连接关闭，read方法才可以返回，线程才能继续处理。write 方法一般来说不会阻塞，除非内核为套接字分配的写缓冲区已经满了，write 方法就会阻塞，直到缓存区中有空间空闲出来。图 2-1呈现了套接字读写的细节流程。

非阻塞 IO 在套接字对象上提供了一个选项 Non_Blocking ，当这个选项打开时，读写方法不会阻塞，而是能读多少读多少，能写多少写多少 能读多少取决于内核为套接字分配的读缓冲区内部的数据字节数，能写多少取决于内核为套接宇分配的写缓冲区的空闲空间字节数，读方法和写方法都会通过返回值来告知程序实际读写了多少字节，有了非阻塞 IO 意味着线程在读写 IO 时可以不必再阻塞了，读写可以瞬间完成，然后线程就可以继续干别的事了。

事件轮询（多路复用）#

非阻塞 IO 有个问题，那就是线程要读数据，结果读了一部分就返回了，那么线程如何知道何时才应该继续读，也就是说，当数据到来时，线程如何得到通知，写也是一样，如果缓冲区满了，写不完，剩下的数据何时才应该继续写，线程也应该得到通知。

事件轮询 API 就是用来解决这个问题的。最简单的事件轮询 API select 函数，它是操作系统提供给用户程序的 API, 输入是读写描述符列表 read_fds & write_fds, 输出是与之对应的可读可写事件, 同时还提供了一个 timeout 参数，如果没有任何事件到来，那么就最多等待 timeout 的值的时间，线程处于阻塞状态, 一旦期间有任何事件到来，就可以立即返回, 时间过了之后还是没有任何事件到来，也会主即返回如图所示，拿到事件后，线程就可以继续挨个处理相应的事件，处理完了继续过来轮询。于是线程就进入了一个死循环，我们把这个死循环称为事件循环，一个循环为一个周期。

每个客户端套接字 socket 都有对应的读写文件描述符

read_events, write_events = select(read_fds, write_fds, timeout)
for event in read_events:
	handle_read(event.fd)
for event in write_events:
	handle_write(event.fd)
handle_others() # 处理其他事情，如定时任务等

因为我们通过 select 系统调用同时处理多个通道描述符的读写事件，因此我们将这类系统调用称为多路复用 API ，现代操作系统的多路复用 API 已经不再使用 select系统调用，而改用 epoll ( linux ）和 kqueue (FreeBSD macosx ），因为 select 系统调用的性能在描述符特别多时会变得非常差。它们使用起来可能在形式上略有差异，但是本质上都是差不多的，都可以使用上面的伪代码逻辑进行理解。服务器套接字 serversocket 对象的读操作是指调用 accept 接受客户端新连接。何时有新连接到来，也是通过 select 系统调用的读事件来得到通知的。

事件轮询 API 就是 Java 语言里面的 NIO 技术。 Java NIO 并不是 Java 特有的技术，其他计算机语言都有这个技术，只不过换了一个词汇，不叫 NIO 而已。

指令队列#

Redis 会将每个客户端套接字都关联一个指令队列。
客户端的指令通过队列来排队进行顺序处理，先到先服务。

响应队列#

Redis 同样也会为每个客户端套接字关联一个响应队列。
Redis 服务器通过响应队列来将指令的返回结果回复给客户端。如果队列为空，那么意味着连接暂时处于空闲状态，不需要去获取写事件，也就是可以将当前的客户端描述符从 write_fds面移出来。等到队列有数据了，再将描述符放进去，避免 select 系统调用立即返回写事件，结果发现没什么数据可以写，出现这种情况的线程会令 CPU 消耗飘升。

定时任务#

服务器除了要响应 IO 事件外，还要处理其他事情。比如定时任务就是非常重要的一件事。如果线程阻塞在 select 系统调用上，定时任务将无法得到准时调度。那Redis 是如何解决这个问题的呢？

Redis 的定时任务会记录在一个被称为“最小堆”的数据结构中。在这个堆中，最快要执行的任务排在堆的最上方。在每个循环周期里， Redis 都会对最小堆里面已经到时间点的任务进行处理。处理完毕后，将最快要执行的任务还需要的时间记录下来，这个时间就是 select 系统调用的 timeout 参数。因为 Redis 知道未来 timeout值的时间内，没有其他定时任务需要处理，所以可以安心睡眠 timeout 的值的时间。

Nginx Node 的事件处理原理和 Redis 也是类似的。