Redis 新特性篇:多线程模型解读

发布于 2022-7-29 17:49
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Redis 官方在 2020 年 5 月正式推出 6.0 版本,提供很多振奋人心的新特性,所以备受关注。

❝码老湿,提供了啥特性呀?知道了我能加薪么?

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。

本篇先从 Redis 多线程模型开始,至于客户端缓存、等且听下回分解。

❝码老湿,Redis 6.0 之前为什么不使用多线程?

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-开源基础软件社区此外,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-开源基础软件社区

❝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-开源基础软件社区

Redis多线程与IO线程

主要流程:

  1. 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;
  2. 主线程通过轮询将可读 socket 分配给 IO 线程;
  3. 主线程阻塞等待 IO 线程读取 socket 完成;
  4. 主线程执行 IO 线程读取和解析出来的 Redis 请求命令;
  5. 主线程阻塞等待 IO 线程将指令执行结果回写回 socket完毕;
  6. 主线程清空全局队列,等待客户端后续的请求。
    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。

大家觉得有所帮助希望可以动动手指点赞、分享、收藏、留言呀。

 

 

文章转载自公众号:码哥字节

已于2022-7-29 17:49:47修改
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