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Redis凭啥可以这么快

Admin Redis 2021-03-08 15:03:05 54

在日常开发中,为了保证数据的一致性,我们一般都选择关系型数据库来存储数据,如 MySQLOracle 等,因为关系型数据库有着事务的特性。然而在并发量比较大的业务场景,关系型数据库却又往往会成为系统瓶颈,无法完全满足我们的需求,所以就需要使用到缓存,而非关系型数据库,即 NoSQL 数据库往往又会成为最佳选择。

NoSQL 数据库最常见的解释是 non-relational,也有人解释为 Not Only SQL。非关系型数据库不保证事务,也就是不具备事务 ACID 特性,这也是非关系型数据库和关系型数据库最大的区别,而我们即将介绍的 Redis 就属于 NoSQL 数据库的一种。

什么是 Redis

Redis 全称是:REmote DIctionary Service,即远程字典服务。Redis 是一个开源的(遵守 BSD 协议)、支持网络、可基于内存亦可持久化的日志型、Key-Value 数据库。

Redis 具有以下特性:

1、支持丰富的数据类型:字符串(strings),散列(hashes),列表(lists),集合(sets),有序集合(sorted sets),位图等。
2、功能丰富:提供了持久化机制,过期策略,订阅/发布等功能。
3、高性能,高可用且支持集群。
4、提供了多种语言的 API

Redis 的安装

1、下载对应版本的安装包,如:Redis 5.0.5 版本,其他版本也可以点击这里进行下载。

2、下载好之后传到服务器指定目录,执行命令 tar -zxvf redis-5.0.5.tar.gz 进行解压。

3、解压成功之后,进入 Redis 主目录,执行命令 make && make install PREFIX=/xxx/xxx/redis-5.0.5 进行安装,如果不指定目录,则默认是安装在 /usr/local 目录下。

4、安装成功之后可以看到 Redis 主目录下多了一个 bin 目录,bin 目录内包含了一些可执行脚本。

5、回到 Redis 主目录下,找到 redis.conf 配置文件,将其中的配置 daemonize no 修改为 daemonize yes,表示在后台启动服务。

6、然后就可以执行命令 /xxx/xxx/redis-5.0.5/bin/redis-server /xxx/xxx/redis-5.0.5/redis.conf 启动 Redis 服务。 Redis 到底有多快

大家可能都知道 Redis 很快,可是 Redis 到底能有多快呢,比如 Redis 的吞吐量能达到多少?我想这就不是每一个人都能说的上来一个具体的数字了。

Redis 官方提供了一个测试脚本,可以供我们测试 Redis 的 吞吐量。

redis-benchmark -q -n 100000 可以测试常用命令的吞吐量。 redis-benchmark -t set,lpush -n 100000 -q 测试 Redis 处理 setlpush 命令的吞吐量。 redis-benchmark -n 100000 -q script load "redis.call('set','foo','bar')" 测试 Redis 处理 Lua 脚本等吞吐量。

下图就是我这边执行第一条命令的自测结果,可以看到大部分命令的吞吐量都可以达到 4 万以上,也就是说每秒钟可以处理 4 万次以上请求:

但是如果你以为这就是 Redis 的真实吞吐量,那就错了。实际上,Redis 官方的测试结果是可以达到 10 万的吞吐量,下图就是官方提供的一个基准测试结果(纵坐标就是吞吐量,横坐标是连接数):

Redis 是单线程还是多线程

这个问题比较经典,因为在很多人的认知里,Redis 就是单线程的。然而 Redis4.0 版本开始就有了多线程的概念,虽然处理命令请求的核心模块确实是保证了单线程执行,然而在其他许多地方已经有了多线程,比如:在后台删除对象,通过 Redis 模块实现阻塞命令,生成 dump 文件,以及 6.0 版本中网络 I/O 实现了多线程等,而且在未来 Redis 应该会有越来越多的模块实现多线程。

所谓的单线程,只是说 Redis 的处理客户端的请求(即执行命令)时,是单线程去执行的,并不是说整个 Redis 都是单线程。

Redis 为什么选择使用单线程来执行请求

Redis 为什么会选择使用单线程呢?这是因为 CPU 成为 Redis 瓶颈的情况并不常见,成为 Redis 瓶颈的通常是内存或网络带宽。例如,在一个普通的 Linux 系统上使用 pipelining 命令,Redis 可以每秒完成 100 万个请求,所以如果我们的应用程序主要使用 O(N)O(log(N)) 复杂度的命令,它几乎不会使用太多的 CPU

那么既然 CPU 不会成为瓶颈,理所当然的就没必要去使用多线程来执行命令,我们需要明确的一个问题就是多线程一定比单线程快吗?答案是不一定。因为多线程也是有代价的,最直接的两个代价就是线程的创建和销毁线程(当然可以通过线程池来一定程度的减少频繁的创建线程和销毁线程)以及线程的上下文切换。

在我们的日常系统中,主要可以区分为两种:CPU 密集型 和 IO 密集型。

CPU 密集型:

这种系统就说明 CPU 的利用率很高,那么使用多线程反而会增加上下文切换而带来额外的开销,所以使用多线程效率可能会不升反降。举个例子:假如你现在在干活,你一直不停的在做一件事,需要 1 分钟可以做完,但是你中途总是被人打断,需要花 1 秒钟时间步行到旁边去做另一件事,假如这件事也需要 1 分钟,那么你因为反复切换做两件事,每切换一次就要花 1 秒钟,最后做完这 2 件事的时间肯定大于 2 分钟(取决于中途切换的次数),但是如果中途不被打断,你做完一件事再去做另一件事,那么你最多只需要切换 1 次,也就是 21 秒就能做完。

IO 密集型:

IO 操作也可以分为磁盘 IO 和网络 IO 等操作。大部分 IO 操作的特点是比较耗时且 CPU 利用率不高,所以 Redis 6.0 版本网络 IO 会改进为多线程。至于磁盘 IO,因为 Redis 中的数据都存储在内存(也可以持久化),所以并不会过多的涉及到磁盘操作。举个例子:假如你现在给树苗浇水,你每浇完一次水之后就需要等别人给你加水之后你才能继续浇,那么假如这个等待过程需要 5 秒钟,也就是说你浇完一次水就可以休息 5 秒钟,而你切换去做另一件事来回只需要 2 秒,那么你完全可以先去做另一件事,做完之后再回来,这样就可以充分利用你空闲的 5 秒钟时间,从而提升了效率。

使用多线程还会带来一个问题就是数据的安全性,所以多线程编程都会涉及到锁竞争,由此也会带来额外的开销。

什么是 I/O 多路复用

I/O 指的是网络 I/O, 多路指的是多个 TCP 连接(如 Socket),复用指的是复用一个或多个线程。I/O 多路复用的核心原理就是不再由应用程序自己来监听连接,而是由服务器内核替应用程序监听。

Redis 中,其多路复用有多种实现,如:selectepollevportkqueue 等。

我们用去餐厅吃饭为的例子来解释一下 I/O 多路复用机制(点餐人相当于客户端,餐厅的厨房相当于服务器,厨师就是线程)。

阻塞 IO:张三去餐厅吃饭,点了一道菜,这时候他啥事也不干了,就是一直等,等到厨师炒好菜,他就把菜端走开始吃饭了。也就是在菜被炒好之前,张三被阻塞了,这就是 BIO(阻塞 IO),效率会非常低下。

非阻塞 IO:张三去餐厅吃饭,点了一道菜,这时候张三他不会一直等,找了个位置坐下,刷刷抖音,打打电话,做点其他事,然后每隔一段时间就去厨房问一下自己的菜好了没有。这种就属于非阻塞 IO,这种方式虽然可以提高性能,但是如果有大量 IO 都来定期轮询,也会给服务器造成非常大的负担。

事件驱动机制:张三去餐厅吃饭,点了一道菜,这时候他找了个位置坐下来等: 厨房那边菜做好了就会把菜端出来了,但是并不知道这道菜是谁的,于是就挨个询问顾客,这就是多路复用中的 select 模型,不过 select 模型最多只能监听 1024socketpoll 模型解决了这个限制问题)。厨房做好了菜直接把菜放在窗口上,大喊一声,某某菜做好了,是谁的快过来拿,这时候听到通知的人就会自己去拿,这就是多路复用中的 epoll 模型。

需要注意的是在 IO 多路复用机制下,客户端可以阻塞也可以选择不阻塞(大部分场景下是阻塞 IO),这个要具体情况具体分析,但是在多路复用机制下,服务端就可以通过多线程(上面示例中可以多几个厨师同时炒菜)来提升并发效率。

Redis 中 I/O 多路复用的应用

Redis 服务器是一个事件驱动程序,服务器需要处理两类事件:文件事件和时间事件。

文件事件:Redis 服务器和客户端(或其他服务器)进行通信会产生相应的文件事件,然后服务器通过监听并处理这些事件来完成一系列的通信操作。

时间事件:Redis 内部的一些在给定时间之内需要进行的操作。

Redis 的文件事件处理器以单线程的方式运行,其内部使用了 I/O 多路复用程序来同时监听多个套接字(Socket)连接,提升了性能的同时又保持了内部单线程设计的简单性。下图就是文件事件处理器的示意图:

I/O 多路复用程序虽然会同时监听多个 Socket 连接,但是其会将监听的 Socket 都放到一个队列里面,然后通过这个队列有序的,同步的将每个 Socket 对应的事件传送给文件事件分派器,再由文件事件分派器分派给对应的事件处理器进行处理,只有当一个 Socket 所对应的事件被处理完毕之后,I/O多路复用程序才会继续向文件事件分派器传送下一个 Socket 所对应的事件,这也可以验证上面的结论,处理客户端的命令请求是单线程的方式逐个处理,但是事件处理器内并不是只有一个线程。

Redis 为什么这么快

Redis 为什么这么快的原因前面已经基本提到了,现在我们再进行总结一下:

1、Redis 是一款纯内存结构,避免了磁盘 I/O 等耗时操作。

2、Redis 命令处理的核心模块为单线程,减少了锁竞争,以及频繁创建线程和销毁线程的代价,减少了线程上下文切换的消耗。

3、采用了 I/O 多路复用机制,大大提升了并发效率。

到此这篇关于Redis凭啥可以这么快的文章就介绍到这了,更多相关Redis为什么快内容请搜索以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持!

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