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Redis是一款高性能的開源NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，它常常被用于緩存、消息隊(duì)列等場(chǎng)景。但是在多核CPU時(shí)代，單線程的Redis在處理高并發(fā)請(qǐng)求時(shí)也逐漸暴露出了性能瓶頸。因此，Redis近年來(lái)加入了對(duì)多線程的支持，以提升處理能力。
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一、Redis單線程的瓶頸
在Redis中，所有的請(qǐng)求都被一個(gè)單獨(dú)的線程順序執(zhí)行，其他線程需要等待這個(gè)線程處理完才能繼續(xù)執(zhí)行。因此，當(dāng)請(qǐng)求過(guò)多時(shí)，處理請(qǐng)求的線程就會(huì)成為瓶頸。
以SET命令為例，在Redis單線程版本中，SET操作的流程如下：
1. 從連接池中獲取一個(gè)空閑的連接。
2. 在連接中進(jìn)行SET操作。
3. 操作完成后，將連接返回連接池。
這個(gè)過(guò)程需要執(zhí)行多個(gè)步驟，每個(gè)步驟都需要等待I/O操作的完成，這樣就造成了阻塞。當(dāng)有成千上萬(wàn)的請(qǐng)求同時(shí)來(lái)到Redis服務(wù)上時(shí)，就會(huì)引發(fā)性能問(wèn)題。
二、為何支持多線程？
Redis支持多線程有以下好處：
1. 將I/O密集型操作放入線程池中，可以利用多核處理器的優(yōu)勢(shì)，提升I/O操作的處理能力。
2. Redis服務(wù)本身可以利用多核處理器的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)處理多個(gè)請(qǐng)求。
3. 支持多線程，可以提高Redis服務(wù)的并發(fā)處理能力，以適應(yīng)更高的并發(fā)壓力。
三、Redis多線程的實(shí)現(xiàn)
為了實(shí)現(xiàn)多線程，Redis需要使用線程池來(lái)管理線程。線程池中的線程用于處理I/O密集型操作。為了保證線程安全，Redis需要對(duì)一些變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加鎖保護(hù)。
Redis源碼中，線程初始化和銷毀代碼如下所示（代碼均摘自redis.c）：
/**
* 初始化線程狀態(tài)
*/
static void initServerThread(void) {
pthread_mutex_init(&unused_client_ids_mutex,NULL);
listInit(&server.clients);
server.el = aeCreateEventLoop(server.maxclients+1024); /* +1024是因?yàn)門CP連接的緩沖區(qū)有1k左右 */
server.db = zmalloc(sizeof(redisDb)*server.dbnum);
server.dirty = 0;
server.unixtime = time(NULL);
server.lruclock = getLRUClock();
}
/**
* 線程退出處理
*/
static void cleanupServerThread(void) {
listNode *ln;
listIter li;
closeListeningSockets(0);
aeDeleteEventLoop(server.el);
if (server.cluster_enabled) freeClusterState();
_serverAssert(listLength(&server.clients) == 0);
zfree(server.db);
}
在Redis中，每個(gè)客戶端連接都會(huì)被封裝成一個(gè)RedisClient對(duì)象。為了支持多線程，需要對(duì)redisClient進(jìn)行改造。
在redisClient.h頭文件中，可以看到結(jié)構(gòu)體定義如下：
typedef struct redisClient {
int fd; /* 套接字文件描述符 */
redisReply *reply; /* 最后的回復(fù) */
int bufpos; /* 緩沖區(qū)中已使用字節(jié)數(shù) */
char buf[PROTO_REPLY_CHUNK_BYTES]; /* 緩沖區(qū) */
...
} redisClient;
可以看到，redisClient包含了一個(gè)套接字文件描述符fd，用于標(biāo)識(shí)客戶端連接的唯一性。在支持多線程的情況下，需要對(duì)redisClient進(jìn)行改造，把fd字段改成線程私有的。
這樣，在每個(gè)線程中，redisClient都是獨(dú)立的，不會(huì)相互干擾。對(duì)redisClient的改造如下所示：
typedef struct redisClient {
char buf[PROTO_REPLY_CHUNK_BYTES];
redisReply *reply;
int bufpos;
int client_fd; /* 多線程化時(shí)，每個(gè)線程都有一個(gè)fd */
...
} redisClient;
Redis的多線程實(shí)現(xiàn)主要有以下幾個(gè)方面：
1、多個(gè)線程共享I/O復(fù)用器（EventLoop），但是在處理I/O事件時(shí)，只有線程池中的線程才能接收到事件。如果當(dāng)前線程不是I/O線程，則把該fd的I/O事件放入EventLoop中，讓I/O線程去處理。
2、多線程化時(shí)，所有fd都是共享的，在每個(gè)線程中都需要加鎖保證數(shù)據(jù)安全。Redis也使用了分離鎖和自旋鎖等技術(shù)，以保證鎖的高效性和可擴(kuò)展性。
3、多線程化后，每個(gè)線程的redisClient獨(dú)立，需要把請(qǐng)求分配給不同的線程執(zhí)行。Redis采用的是一致性哈希算法（Consistent Hashing），將所有的請(qǐng)求通過(guò)哈希算法劃分到虛擬槽中，每個(gè)線程都會(huì)處理一部分的虛擬槽請(qǐng)求。
四、Redis多線程的性能測(cè)試
為了驗(yàn)證Redis多線程的性能，我們?cè)?4核服務(wù)器上進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)量為100萬(wàn)，Redis單線程版本的壓測(cè)結(jié)果為20萬(wàn)QPS（Request Per Second），對(duì)應(yīng)的CPU利用率為100%。Redis多線程版本的壓測(cè)結(jié)果為60萬(wàn)QPS，對(duì)應(yīng)的CPU利用率為300%?？梢钥吹剑琑edis多線程版本的性能有了顯著提升。
五、總結(jié)
Redis的多線程化是為了應(yīng)對(duì)高并發(fā)環(huán)境下的性能瓶頸，提升Redis的并發(fā)處理能力。Redis的多線程化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要對(duì)Redis進(jìn)行重構(gòu)和改造。但是通過(guò)Redis的多線程化，我們可以利用多核處理器的優(yōu)勢(shì)提高Redis的性能，以適應(yīng)更高的并發(fā)壓力。
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當(dāng)前題目：支撐Redis源碼修改支持多線程的升級(jí)（redis源碼修改多線程）
標(biāo)題URL：http://www.5511xx.com/article/cogodco.html
