03 | 高性能IO模型：为什么单线程Redis能那么快？
“为什么单线程的 Redis 能那么快？”
通常说 Redis 是单线程，主要是指 Redis 的网络 IO 和键值对读写是由一个线程来完成的，这也是 Redis 对外提供键值存储服务的主要流程。但 Redis 的其他功能，比如持久化、异步删除、集群数据同步等，其实是由额外的线程执行的。
所以，严格来说，Redis 并不是单线程，但是我们一般把 Redis 称为单线程高性能，这样显得“酷”些。
“为什么用单线程？为什么单线程能这么快？”
需要深入地学习下 Redis 的单线程设计机制以及多路复用机制。
Redis 为什么用单线程？
要先了解多线程的开销。
的确，对于一个多线程的系统来说，在有合理的资源分配的情况下，可以增加系统中处理请求操作的资源实体，进而提升系统能够同时处理的请求数，即吞吐率。下面的左图是我们采用多线程时所期待的结果。
但是，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。
一个关键的瓶颈在于，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。
并发访问控制一直是多线程开发中的一个难点问题。
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。
而且，采用多线程开发一般会引入同步原语来保护共享资源的并发访问，这也会降低系统代码的易调试性和可维护性。为了避免这些问题，Redis 直接采用了单线程模式。
单线程 Redis 为什么那么快？
通常来说，单线程的处理能力要比多线程差很多，但是 Redis 却能使用单线程模型达到每秒数十万级别的处理能力，这是为什么呢？
其实，这是 Redis 多方面设计选择的一个综合结果。
一方面，Redis 的大部分操作在内存上完成，再加上它采用了高效的数据结构，例如哈希表和跳表，这是它实现高性能的一个重要原因。
另一方面，就是 Redis 采用了多路复用机制，使其在网络 IO 操作中能并发处理大量的客户端请求，实现高吞吐率。
基本 IO 模型与阻塞点
其中，bind/listen、accept、recv、parse 和 send 属于网络 IO 处理，而 get 属于键值数据操作。
既然 Redis 是单线程，那么，最基本的一种实现是在一个线程中依次执行上面说的这些操作。
Redis基本IO模型
在这里的网络 IO 操作中，有潜在的阻塞点，分别是 accept() 和 **recv()**。
当 Redis 监听到一个客户端有连接请求，但一直未能成功建立起连接时，会阻塞在 accept() 函数这里，导致其他客户端无法和 Redis 建立连接。类似的，当 Redis 通过 recv() 从一个客户端读取数据时，如果数据一直没有到达，Redis 也会一直阻塞在 recv()。
这就导致 Redis 整个线程阻塞，无法处理其他客户端请求，效率很低。
不过，幸运的是，socket 网络模型本身支持非阻塞模式。
非阻塞模式
Socket 网络模型的非阻塞模式设置，主要体现在三个关键的函数调用上。
在 socket 模型中，不同操作调用后会返回不同的套接字类型。
socket() 方法会返回主动套接字，然后调用 listen() 方法，将主动套接字转化为监听套接字，此时，可以监听来自客户端的连接请求。最后，调用 accept() 方法接收到达的客户端连接，并返回已连接套接字。
Redis套接字类型与非阻塞设置
基于多路复用的高性能 I/O 模型
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。
基于多路复用的Redis高性能IO模型
图中的多个 FD 就是刚才所说的多个套接字。
Redis 网络框架调用 epoll 机制，让内核监听这些套接字。此时，Redis 线程不会阻塞在某一个特定的监听或已连接套接字上，也就是说，不会阻塞在某一个特定的客户端请求处理上。正因为此，Redis 可以同时和多个客户端连接并处理请求，从而提升并发性。
为了在请求到达时能通知到 Redis 线程，select/epoll 提供了基于事件的回调机制，即针对不同事件的发生，调用相应的处理函数。
其实，select/epoll 一旦监测到 FD 上有请求到达时，就会触发相应的事件。
这就像病人去医院瞧病。在医生实际诊断前，每个病人（等同于请求）都需要先分诊、测体温、登记等。如果这些工作都由医生来完成，医生的工作效率就会很低。所以，医院都设置了分诊台，分诊台会一直处理这些诊断前的工作（类似于 Linux 内核监听请求），然后再转交给医生做实际诊断。这样即使一个医生（相当于 Redis 单线程），效率也能提升。
小结
今天，我们重点学习了 Redis 线程的三个问题：
- “Redis 真的只有单线程吗？”
- “为什么用单线程？”
- “单线程为什么这么快？”
