为什么Redis单线程还这么快

> 严格来说，**Redis Server是多线程的**，**只是他的请求处理整个流程是单线程处理的**，**我们平时所说的Redis单线程快是指他的请求处理过程非常地快**。

Redis的性能非常之高，每秒可以承受10W+的QPS，他如此优秀的性能主要取决于一下几个方面：

1. **纯内存操作**。
2. **使用I/O多路复用技术**。
3. **非CPU密集型任务**。
4. **单线程的优势**。
5. **多线程优化**。

## 1 纯内存操作

1. Redis**是一个内存数据库**，他的**数据都存储在内存中**，这意味着我们**读写数据都是在内存中完成**，**这个速度是非常快的**。
2. Redis**是一个KV内存数据库**，他**内部构建了一个哈希表**，**根据指定的Key访问时**，**只需要$O(1)$的时间复杂度就可以找到对应的数据**，同时，Redis**提供了丰富的**[数据类型](https://notebook.ricear.com/project-37/doc-805)，并**使用高效的操作方式进行操作**，**这些操作都在内存中进行**，并**不会大量消耗CPU资源**，所以**速度极快**。

## 2 使用IO多路复用技术

> 为什么Redis中要使用I/O多路复用这种技术呢？
>
> 这是因为**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他客户提供服务**，而**I/O多路复用就是为了解决这个问题而出现的**。

1. Redis**采用了[IO多路复用技术](https://notebook.ricear.com/project-26/doc-335/#3-3-IO-%E5%A4%9A%E8%B7%AF%E5%A4%8D%E7%94%A8)和[非阻塞IO](https://notebook.ricear.com/project-26/doc-335/#3-2-%E9%9D%9E%E9%98%BB%E5%A1%9E-IO)**，这个技术**由操作系统实现提供**，Redis**可以方便地操作系统的API**。
2. Redis**可以在单线程中监听多个Socket的请求**，**在任意一个Socket可读/可写时**，Redis**去读取客户端请求**，**在内存中操作对应的数据**，**然后再写会到Socket中**，**整个过程非常高效**，Redis**利用了IO多路复用技术的[事件驱动模型](https://notebook.ricear.com/project-37/doc-807)**，**保证在监听多个Socket连接的情况下**，**只针对有活动的Socket采取反应**。

## 3 非CPU密集型任务

1. 采用**单线程的缺点**很明显，**无法使用多核CPU**，但是**由于Redis的大部分操作并不是CPU密集型任务**，**Redis的瓶颈在于内存和网络带宽**，因此**在高并发请求下**，**Redis需要更多的内存和更高的网络带宽**，否则**瓶颈很容易出现在内存不够用和网络延迟等待的情况**。
2. **如果我们觉得单个Redis实例的性能不足以支撑业务**，**Redis作者推荐部署多个Redis节点**，**组成集群的方式来利用多核CPU的能力**，**而不是在单个实例上使用哪个多线程来处理**。

## 4 单线程优势

1. 基于以上特性，Redis**采用单线程已足够达到非常高的性能**，所以Redis**没有采用多线程模型**。
2. 单线程模型带来了以下好处：
   1. **没有了多线程上下文切换的性能损耗**。
   2. **没有了访问共享资源加锁的性能损耗**。
   3. **开发和调试非常友好**，**可维护性高**。
3. 单线程模型同时也具有缺点，最大的缺点是**如果前一个请求发生耗时比较久的操作**，**那么整个Redis就会阻塞住**，**其他请求也无法进来**，**直到这个耗时久的操作处理完成并返回**，**其他请求才能被处理到**，我们平时遇到Redis变慢或长时间阻塞的问题，90%也都是因为Redis处理请求是单线程这个原因导致的，所以**我们平时在使用Redis时**，**一定要避免非常耗时的操作**，例如**使用时间复杂度过高的方式获取数据**、**一次性获取过多的数据**、**大量key集中[过期]()导致Redis[淘汰](https://notebook.ricear.com/project-37/doc-812)key压力变大等等**，**这些场景都会阻塞住整个处理线程**，**知道他们处理完成**，**势必会影响业务的访问**。

## 5 多线程优化

1. **Redis Server本身是多线程的**，**除了请求处理流程是单线程处理之外**，**Redis还有其他工作线程在后台执行**，**他负责异步执行某些比较耗时的任务**，例如[AOF](https://notebook.ricear.com/project-37/doc-806/#2-2-AOF)每秒刷盘、[AOF文件重写](https://notebook.ricear.com/project-37/doc-806/#2-2-3-AOF-%E9%87%8D%E5%86%99)都是在另一个线程中完成的。
2. **在Redis 4.0之后**，Redis**引入了 `lazyfree`机制**，**提供了 `unlink`**、`flushall async`、`flushdb async`**等命令和 `lazyfree-lazy-eviction`**、`lazyfree-lazy-expire`**等机制来异步释放内存**，他**主要是为了解决在释放大内存数据导致整个Redis阻塞的性能问题**，因为**在删除大 `key`时**，**释放内存往往都比较耗时**，所以Redis**提供异步释放内存的方式**，**让这些耗时的操作放到另一个线程中异步去处理**，**从而不影响主线程的执行**，**提高性能**。
3. **到了Redis 6.0**，Redis又**引入了多线程来完成请求数据的协议解析**，**进一步提升性能**，他**主要是解决高并发场景下**，**单线程解析请求数据协议带来的压力**，**请求数据的协议解析由多线程完成之后**，**后面的请求处理阶段依旧还是单线程排队处理**。

## 参考文献

1. [几率大的 Redis 面试题（含答案）](https://blog.csdn.net/Butterfly_resting/article/details/89668661)。
2. [Redis 面试题（总结最全面的面试题）](https://juejin.cn/post/6844904127055527950)。
3. [面试官：Redis 为什么这么快？除了基于内存操作还有其他原因吗？](https://zhuanlan.zhihu.com/p/160157573)
4. [Redis 是单线程的，但 Redis 为什么这么快？](https://juejin.cn/post/6844903663224225806)
5. [Redis 为什么是单线程？为什么有如此高的性能？](https://juejin.cn/post/6844903814500220936)
6. [为什么Redis单线程还这么快？](http://kaito-kidd.com/2020/06/28/why-redis-so-fast)