Redis使用单线程为什么还这么快

1. Redis的单线程架构

Redis是一款高性能的缓存系统，采用单线程的模型来处理客户端的请求。这与其他数据库系统大相径庭，常见的关系型数据库如MySQL、Oracle等采用多线程充分利用多核CPU，那么Redis单线程模型是如何实现高性能的？

1.1 Redis单线程的优势

Redis采用单线程模型的最大优势在于避免了多线程并发操作时的线程切换开销和锁竞争带来的性能损失。由于Redis是基于内存进行操作，极大减少了硬盘IO的操作，使得Redis单线程可以处理成千上万的请求，达到了非常高的吞吐量。

此外，Redis还实现了多个优化技巧，如事件驱动的异步IO、管道操作、逐出策略等，进一步提升了性能。

1.2 Redis单线程的缺点

Redis采用单线程的架构也存在一些不足，最大的问题在于无法利用多核CPU的优势。当Redis遇到特别复杂的计算任务，如复杂查询、大规模数据迁移等，由于只有一个线程，处理速度会变得非常慢。

Redis 4.0版本提供了一种新的实验性模块Redis-Threads，该模块旨在通过多线程支持来达到更好的性能，但它仍处于实验性质，对应用场景、功能的兼容性不确定，还需要进一步的测试和研究。

2. Redis的高性能模式

除了采用单线程的模型之外，Redis还采用了一些高性能的模式，进一步提升了系统的性能。

2.1 基于内存的存储

Redis将所有数据缓存在内存中，避免了硬盘IO的操作，使得数据的读写速度非常快。同时Redis还采用了写时复制技术来实现数据持久化，将数据保存到磁盘上，安全可靠。

Redis内部采用的写时复制技术：

serverCron函数会定期执行RDB持久化操作，
将数据保存到硬盘上，同时利用BGSAVE子进程完成数据的备份。

2.2 基于事件驱动的异步IO

Redis采用事件驱动的异步IO模型，每个客户端请求都会封装成事件，放到请求队列中，等待Redis的事件分发器（event dispatcher）处理。Redis的事件分发器会同时处理多个事件，以此来提高并发性。

下面是Redis事件分发器的核心代码：

// 事件最大数

#define REDIS_MAX_EVENT 1024
// 接收客户端连接请求的套接字
// 只有新套接字可以读取事件并连接到客户端
#define REDIS_READ_EVENT 1
// 发送数据到客户端的套接字
#define REDIS_WRITE_EVENT 2
    
void aeProcessEvents(aeEventLoop *eventLoop, int flags) {
    // 获取可用的事件数目
    numevents = aeApiPoll(eventLoop, tvp);
    for (j = 0; j < numevents; j++) {
        aeFileEvent *fe = &eventLoop->events[eventLoop->fired[j].fd];
        int mask = eventLoop->fired[j].mask;
        int fd = eventLoop->fired[j].fd;
        int rfired = 0;
    
        if (fe->mask & mask & REDIS_READ_EVENT) {
            rfired = 1;
            fe->rfileProc(eventLoop,fd,fe->clientData,mask);
        }
        if (fe->mask & mask & REDIS_WRITE_EVENT) {
            if (!rfired || fe->wfileProc != fe->rfileProc)
                fe->wfileProc(eventLoop,fd,fe->clientData,mask);
        }
        processed++;
    }
}

2.3 管道操作

Redis支持管道操作，也就是客户端可以向Redis发送多个命令，Redis会一次性处理这些命令并返回结果。这样可以避免每次发送命令的网络延迟和Redis处理命令的开销，一定程度上提高了Redis的性能。

// 向Redis发送10个命令

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    redisAppendCommand(redis, "SET key%d %d\n", i, i);
}
// 一次性执行10个命令
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    redisGetReply(redis, (void **)&reply);
}

2.4 逐出策略

Redis采用了一些逐出策略，当内存达到最大容量时，会自动释放一些空间。常见的逐出策略有LRU、TTL、随机等。

Redis支持多种逐出策略，如：

maxmemory-policy noeviction // 不逐出任何数据
maxmemory-policy allkeys-lru // 采用LRU算法逐出所有key
maxmemory-policy volatile-ttl // 采用TTL逐出带有过期时间的key
maxmemory-policy volatile-lru // 采用LRU逐出带有过期时间的key

3. 总结

Redis采用单线程的模型，避免了多线程并发操作时的线程切换和锁竞争带来的性能损失，同时还采用了基于内存的存储、事件驱动的异步IO、管道操作、逐出策略等高性能模式，进一步提高了系统的性能。但单线程的模型在处理特别复杂的计算任务时，还存在一些不足，需要进一步的改进和研究。在实际应用中，需要根据不同的应用场景和业务需求，合理地选择数据库系统，并进行优化和调优。