Redis为什么那么快？高性能设计之epoll和IO多路复用深度解析

before

多路复用要解决的问题

并发多客户端连接，在多路复用之前最简单和典型的方案：同步阻塞网络IO模型

这种模式的特点就是用一个进程来处理一个网络连接(一个用户请求)，比如一段典型的示例代码如下。

直接调用 recv 函数从一个 socket 上读取数据。

int main()
{
…
recv(sock, …) //从用户角度来看非常简单，一个recv一用，要接收的数据就到我们手里了。
}

我们来总结一下这种方式：

优点就是这种方式非常容易让人理解，写起代码来非常的自然，符合人的直线型思维。

缺点就是性能差，每个用户请求到来都得占用一个进程来处理，来一个请求就要分配一个进程跟进处理，

类似一个学生配一个老师，一位患者配一个医生，可能吗？进程是一个很笨重的东西。一台服务器上创建不了多少个进程。

结论

进程在 Linux 上是一个开销不小的家伙，先不说创建，光是上下文切换一次就得几个微秒。所以为了高效地对海量用户提供服务，必须要让一个进程能同时处理很多个 tcp 连接才行。现在假设一个进程保持了 10000 条连接，那么如何发现哪条连接上有数据可读了、哪条连接可写了？

我们当然可以采用循环遍历的方式来发现 IO 事件，但这种方式太低级了。

我们希望有一种更高效的机制，在很多连接中的某条上有 IO 事件发生的时候直接快速把它找出来。

其实这个事情 Linux 操作系统已经替我们都做好了，它就是我们所熟知的 IO 多路复用机制。

这里的复用指的就是对进程的复用

IO多路复用模型

是什么？

IO：网络IO

多路：多个客户端连接（连接就是套接字描述符，即socket或者channel），指的是多条TCP连接

复用：用一个进程来处理多条的连接，使用单进程就可以实现同时处理多个客户端的连接

一句话：使用单进程就实现了多个客户端的连接，IO多路复用类似于一个接口，规范、落地实现，可以从select->poll->epoll三个阶段来实现

Redis单线程如何处理那么多并发客户端连接，为什么单线程，为什么快？

Redis的IO多路复用

Redis利用epoll来实现IO多路复用，将连接信息和事件放到队列中，一次放到文件事件分派器，事件分派器将事件分发给事件处理器。

Redis 是跑在单线程中的，所有的操作都是按照顺序线性执行的，但是由于读写操作等待用户输入或输出都是阻塞的，所以 I/O 操作在一般情况下往往不能直接返回，这会导致某一文件的 I/O 阻塞导致整个进程无法对其它客户提供服务，而 I/O 多路复用就是为了解决这个问题而出现

所谓 I/O 多路复用机制，就是说通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。这种机制的使用需要 select 、 poll 、 epoll 来配合。多个连接共用一个阻塞对象，应用程序只需要在一个阻塞对象上等待，无需阻塞等待所有连接。当某条连接有新的数据可以处理时，操作系统通知应用程序，线程从阻塞状态返回，开始进行业务处理。

Redis 服务采用 Reactor 的方式来实现文件事件处理器（每一个网络连接其实都对应一个文件描述符）

Redis基于Reactor模式开发了网络事件处理器，这个处理器被称为文件事件处理器。它的组成结构为4部分：

多个套接字、

IO多路复用程序、

文件事件分派器、

事件处理器。

因为文件事件分派器队列的消费是单线程的，所以Redis才叫单线程模型

Redis设计与实现

从Redis6开始，将网络数据读写、请求协议解析通过多个IO线程的来处理，对于真正的命令执行来说，仍然使用单线程操作，一举两得，便宜占尽！！！ o(￣▽￣)ｄ

Unix网络编程中几种常用模型

阻塞IO

非阻塞IO

IO多路复用

从吃米线开始，读读read

上午开会，错过了公司食堂的饭点，中午就和公司的首席架构师一起去楼下的米线店去吃米线。我们到了一看，果然很多人在排队。

架构师马上发话了：嚯，请求排队啊！你看这位收银点菜的，像不像nginx的反向代理？只收请求，不处理，把请求都发给后厨去处理。

我们交了钱，拿着号离开了点餐收银台，找了个座位坐下等餐。

架构师：你看，这就是异步处理，我们下了单就可以离开等待，米线做好了会通过小喇叭“回调”我们去取餐；

如果同步处理，我们就得在收银台站着等餐，后面的请求无法处理，客户等不及肯定会离开了。

接下里架构师盯着手中的纸质号牌。

架构师：你看，这个纸质号牌在后厨“服务器”那里也有，这不就是表示会话的ID吗？

有了它就可以把大家给区分开，就不会把我的排骨米线送给别人了。过了一会，排队的人越来越多，已经有人表示不满了，可是收银员已经满头大汗，忙到极致了。

架构师：你看他这个系统缺乏弹性扩容，现在这么多人，应该增加收银台，可以没有其他收银设备，老板再着急也没用。

老板看到在收银这里帮不了忙，后厨的订单也累积得越来越多，赶紧跑到后厨亲自去做米线去了。

架构师又发话了：幸亏这个系统的后台有并行处理能力，可以随意地增加资源来处理请求（做米线）。

我说：他就这点儿资源了，除了老板没人再会做米线了。

不知不觉，我们等了20分钟，但是米线还没上来。

架构师：你看，系统的处理能力达到极限，超时了吧。

这时候收银台前排队的人已经不多了，但是还有很多人在等米线。

老板跑过来让这个打扫卫生的去收银，让收银小妹也到后厨帮忙。打扫卫生的做收银也磕磕绊绊的，没有原来的小妹灵活。

架构师：这就叫服务降级，为了保证米线的服务，把别的服务都给关闭了。

又过了20分钟，后厨的厨师叫道：237号，您点的排骨米线没有排骨了，能换成番茄的吗？

架构师低声对我说：瞧瞧，人太多，系统异常了。然后他站了起来：不行，系统得进行补偿操作：退费。

说完，他拉着我，饿着肚子，头也不回地走了。

同步

调用者要一直等待调用结果的通知后才能进行后续的执行，现在就要，我可以等，等出结果为止

异步

指被调用方先返回应答让调用者返回，然后再计算调用结果，计算完最终结果后再通知并返回给调用方。

异步调用要想获得结果一般通过回调

同步和异步的理解

同步、异步的讨论对象是被调用者（服务提供者），重点在于获得调用结果的消息通知方式上

阻塞

调用方一直在等待而且别的事情什么都不做，当前进程线程被挂起，啥也不干

非阻塞

调用在发出去后，调用方先去忙别的事情，不会阻塞当前进程线程，而会立即返回

阻塞和非阻塞的理解

阻塞和非阻塞的讨论对象是调用者（服务请求者）重点在于等消息时候的行为，带哦用着是否能干其它事

JAVA实践

背景

一个redisServer + 2个Client

BIO

当用户进程调用了recvfrom这个系统调用，kernel就开始了IO的第一个阶段：准备数据（对于网络IO来说，很多时候数据在一开始还没有到达。比如，还没有收到一个完整的UDP包。这个时候kernel就要等待足够的数据到来）。这个过程需要等待，也就是说数据被拷贝到操作系统内核的缓冲区中是需要一个过程的。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞（当然，是进程自己选择的阻塞）。当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存，然后kernel返回结果，用户进程才解除block的状态，重新运行起来。所以，BIO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。

accept监听

RedisServer

public class RedisServer
{
    public static void main(String[] args) throws IOException
    {
        byte[] bytes = new byte[1024];
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6379);
        while(true)
        {
            System.out.println("-----111 等待连接");
            Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println("-----222 成功连接");
        }
    }
}

RedisClient01

public class RedisClient01
{
    public static void main(String[] args) throws IOException
    {
        System.out.println("------RedisClient01 start");
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 6379);
    }
}

RedisClient02

public class RedisClient02
{
    public static void main(String[] args) throws IOException
    {
        System.out.println("------RedisClient02 start");
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 6379);
    }
}

Read读取

先启动RedisServerBIO，再启动RedisClient01验证后再启动02客户端

RedisServerBIO

public class RedisServerBIO
{
    public static void main(String[] args) throws IOException
    {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6379);
        while(true)
        {
            System.out.println("-----111 等待连接");
            Socket socket = serverSocket.accept();//阻塞1 ,等待客户端连接
            System.out.println("-----222 成功连接");
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            int length = -1;
            byte[] bytes = new byte[1024];
            System.out.println("-----333 等待读取");
            while((length = inputStream.read(bytes)) != -1)//阻塞2 ,等待客户端发送数据
            {
                System.out.println("-----444 成功读取"+new String(bytes,0,length));
                System.out.println("====================");
                System.out.println();
            }
            inputStream.close();
            socket.close();
        }
    }
}

RedisClient01

public class RedisClient01
{
    public static void main(String[] args) throws IOException
    {
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1",6379);
        OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
        //socket.getOutputStream().write("RedisClient01".getBytes());
        while(true)
        {
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            String string = scanner.next();
            if (string.equalsIgnoreCase("quit")) {
                break;
            }
            socket.getOutputStream().write(string.getBytes());
            System.out.println("------input quit keyword to finish......");
        }
        outputStream.close();
        socket.close();
    }
}

RedisClient02

public class RedisClient02
{
    public static void main(String[] args) throws IOException
    {
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1",6379);
        OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
        //socket.getOutputStream().write("RedisClient01".getBytes());
        while(true)
        {
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            String string = scanner.next();
            if (string.equalsIgnoreCase("quit")) {
                break;
            }
            socket.getOutputStream().write(string.getBytes());
            System.out.println("------input quit keyword to finish......");
        }
        outputStream.close();
        socket.close();
    }
}

存在的问题

上面的模型存在很大的问题，如果客户端与服务端建立了连接，如果这个连接的客户端迟迟不发数据，程就会一直堵塞在read()方法上，这样其他客户端也不能进行连接，也就是一次只能处理一个客户端，对客户很不友好

知道问题所在了，请问如何解决？？

解决

利用多线程

只要连接了一个socket，操作系统分配一个线程来处理，这样read()方法堵塞在每个具体线程上而不堵塞主线程，就能操作多个socket了，哪个线程中的socket有数据，就读哪个socket，各取所需，灵活统一。

程序服务端只负责监听是否有客户端连接，使用 accept() 阻塞

客户端1连接服务端，就开辟一个线程（thread1）来执行 read() 方法，程序服务端继续监听

客户端2连接服务端，也开辟一个线程（thread2）来执行 read() 方法，程序服务端继续监听

客户端3连接服务端，也开辟一个线程（thread3）来执行 read() 方法，程序服务端继续监听

。。。。。。

任何一个线程上的socket有数据发送过来，read()就能立马读到，cpu就能进行处理。

RedisServerBIOMultiThread

public class RedisServerBIOMultiThread
{
    public static void main(String[] args) throws IOException
    {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6379);
        while(true)
        {
            //System.out.println("-----111 等待连接");
            Socket socket = serverSocket.accept();//阻塞1 ,等待客户端连接
            //System.out.println("-----222 成功连接");
            new Thread(() -> {
                try {
                    InputStream inputStream = socket.getInputStream();
                    int length = -1;
                    byte[] bytes = new byte[1024];
                    System.out.println("-----333 等待读取");
                    while((length = inputStream.read(bytes)) != -1)//阻塞2 ,等待客户端发送数据
                    {
                        System.out.println("-----444 成功读取"+new String(bytes,0,length));
                        System.out.println("====================");
                        System.out.println();
                    }
                    inputStream.close();
                    socket.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            },Thread.currentThread().getName()).start();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        }
    }
}

RedisClient01

public class RedisClient01
{
    public static void main(String[] args) throws IOException
    {
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1",6379);
        OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
        //socket.getOutputStream().write("RedisClient01".getBytes());
        while(true)
        {
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            String string = scanner.next();
            if (string.equalsIgnoreCase("quit")) {
                break;
            }
            socket.getOutputStream().write(string.getBytes());
            System.out.println("------input quit keyword to finish......");
        }
        outputStream.close();
        socket.close();
    }
}

RedisClient02

public class RedisClient02
{
    public static void main(String[] args) throws IOException
    {
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1",6379);
        OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
        //socket.getOutputStream().write("RedisClient01".getBytes());
        while(true)
        {
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            String string = scanner.next();
            if (string.equalsIgnoreCase("quit")) {
                break;
            }
            socket.getOutputStream().write(string.getBytes());
            System.out.println("------input quit keyword to finish......");
        }
        outputStream.close();
        socket.close();
    }
}

存在问题

多线程模型

每来一个客户端，就要开辟一个线程，如果来1万个客户端，那就要开辟1万个线程。

在操作系统中用户态不能直接开辟线程，需要调用内核来创建的一个线程，这其中还涉及到用户状态的切换（上下文的切换），十分耗资源。

知道问题所在了，请问如何解决？？

第一个办法：使用线程池

这个在客户端连接少的情况下可以使用，但是用户量大的情况下，你不知道线程池要多大，太大了内存可能不够，也不可行。

第二个办法：NIO（非阻塞式IO）方式

因为read()方法堵塞了，所有要开辟多个线程，如果什么方法能使read()方法不堵塞，这样就不用开辟多个线程了，这就用到了另一个IO模型，NIO（非阻塞式IO）

tomcat7之前就是用BIO多线程来解决多连接

两个痛点

read

在阻塞式IO模型中，应用程序在从调用recvfrom开始到它返回有数据报准备好这段时间是阻塞的，recvfrom返回成功后，应用进程才能开始处理数据报。

思考：每个线程分配一个连接，必然会产生多个，既然是多个socket连接必然需要放入容器，纳入统一管理

Redis系列-15.Redis的IO多路复用原理解析（下）:https://developer.aliyun.com/article/1414754

热门

活动广场

任务中心

开发者评测

高校计划

乘风者计划

训练营

阿里云MVP

话题

直播

下载

镜像站

技术资料

插件

Redis系列-15.Redis的IO多路复用原理解析（上）

Redis为什么那么快？高性能设计之epoll和IO多路复用深度解析

before

多路复用要解决的问题

结论

IO多路复用模型

是什么？

Redis单线程如何处理那么多并发客户端连接，为什么单线程，为什么快？

Redis设计与实现

Unix网络编程中几种常用模型

从吃米线开始，读读read

同步

异步

同步和异步的理解

阻塞

非阻塞

阻塞和非阻塞的理解

JAVA实践

背景

BIO

accept监听

RedisServer

RedisClient01

RedisClient02

Read读取

RedisServerBIO

RedisClient01

RedisClient02

存在的问题

解决

RedisServerBIOMultiThread

RedisClient01

RedisClient02

存在问题

两个痛点

热门文章

最新文章

相关课程

相关电子书

相关实验场景

推荐镜像