单线程Redis：Redis为什么这么快

1 Redis是不是单线程

Redis 使用后台线程执行耗时的 I/O 操作，以免阻塞主线程

bio_close_file：后台 I/O 线程之一，异步关闭文件
bio_aof_fsync：后台 I/O 线程之一，异步地将 AOF（Append Only File）日志同步到磁盘
bio_lazy_free：异步释放内存，有些内存释放操作可能比较耗时，因此这些操作可以异步完成，以免阻塞主线程
jemalloc_bg_thd：这是由 jemalloc 内存分配器产生的后台线程。jemalloc 是 Redis 默认使用的内存分配器，因为它在多线程环境中表现出色，能够有效地管理内存碎片。这个后台线程通常用于维护和优化内存使用（例如回收空闲内存）。

如果有io_thd_1之类的，则是在处理网络IO

一般认为Redis是单线程，是因为Redis的命令处理是单线程的

1.1 为什么Redis是单线程

单线程的局限：

• 不能有耗时操作，包括cpu运算和阻塞io

但Redis仍存在耗时操作

io密集型：

• 磁盘io：有两种方式持久化，一种是bio_aof_fsync，开启一个线程持久化，另外一种是rdb，通过fok进程，在子进程持久化
• 网络io：Redis需要处理多个服务，Redis采用Reactor网络模型，实现IO多路复用；若数据请求或返回数据量比较大，则会开启io多线程

cpu密集型：

• Redis使用高效的数据结构，并允许数据结构切换，当数据量大的时候，需使用O(1)、O(lgn)复杂度的数据结构
• 渐进式数据迁移

Redis为什么不采用多线程？
采用多线程需加锁，加锁复杂，加锁粒度不好控制，加锁会造成频繁的CPU上下文切换，抵消多线程的优势

1.2 单线程为什么快

1. Redis使用了内存数据库

2. Redis是一个key-value数据库，数据存储在hashtable中，复杂度是O(1)，为了保证O(1)的复杂度，hash冲突不能太激烈。

若数据太多，而hashtable太小，则非常容易冲突。

而Redis是内存数据库，一开始就分配很大空间，浪费内存，因此Redis动态分配数组大小，允许进行扩容、缩容操作。

负载因子：used / size

• 如果负载因子 > 1 ，则会发生扩容
• 如果正在 fork （在 rdb、aof 复写以及 rdb-aof 混用情况下）时，会阻止扩容
• 但是此时若负载因子 > 5 ，索引效率大大降低， 则马上扩容
• 如果负载因子 < 0.1 ，则会发生缩容

扩容：位于0号的元素，会分别散落在0号和4号，其余同理

渐进式Rehash：

若hashtable的size非常大，进行翻倍迁移的时候，是一个非常耗时的操作，但Redis仍然需要服务用户，因此不能一次性迁移。

server.h：6.2.12版本

dict：存储的keys
expires：过期的keys
blocking_keys：阻塞的keys

可以看到有一个ht[2]，即hashtable有两个，在没有扩容和缩容的时候，通常只使用ht[0]，扩容时，会将ht[0]中的数据放入到ht[1]中，并将ht[1]的大小翻倍。

rehash步骤：
将 ht[0] 中的元素重新经过 hash 函数生成 64 位整数，再对 ht[1] 长度进行取余，从而映射到 ht[1]

渐进式rehash：

• 将数据的rehash操作，分摊在增删改查操作中，每次操作一个索引中的全部元素，直到rehash结束，将ht[1]赋值给ht[0]，并将ht[1]置为空
• 在定时器中，在redis空闲时，最大执行一毫秒 rehash ；每次步长 100 个数组槽位

3. 高效的reactor网络模型

1.3 scan

KEYS *命令非常耗时，若想获取所有keys，可以使用scan命令

SCAN cursor [MATCH pattern] [COUNT count] [TYPE type]

采用高位进位加法的遍历顺序，rehash 后的槽位在遍历顺序上是相邻的

接下来应该遍历16号索引

2 string

三种编码

• int：字符串长度小于等于20且能转成整数
  • 对于大整数，int占的字节比字符串更少
• raw：字符串长度大于44
• embstr：字符串长度小于等于44

在Redis中，string被实现成sds，它包含一些头部，但仍返回实际存储数据的地址。

最后的char buf[]是柔性数组，使用sizeof会不包含char buf[]。

面试题：为什么Redis中字符串选择44个字节作为分界线？

embstr顾名思义就是嵌入字符串，嵌入到redisObject中

redisObject共占用4 + 4 + 8字节

长度为44的话，选择了sdshdr8的结构（表示长度0-128），sdshr8头部占用了3个字节

cpu cache line最小访问单位为64个字节

同时sds为了兼容strlen等函数，在柔性数组最后加上’\0’分隔符

因此64 - (4 + 4 + 8) - 3 - 1 = 44

3 Redis跳表

跳表（多层级有序链表）结构用来实现有序集合，redis 需要实现 zrange 以及 zrevrange功能，需要节点间最好能直接相连并且增删改操作后结构依然有序

节点数量大于 128 或者有一个字符串长度大于 64，则使用跳表（skiplist）

4 Redis IO多线程原理

对于一个Redis请求，需要经过read、decode、compute、encode、send这5个流程。

而有时候read、decode、encode、send过程很慢，把它们放在主线程操作，很浪费时间，因此Redis使用了IO多线程。

将多个IO分发到多个线程（包括主线程）中，但所有的compute仍在主线程中，因此，这与Redis是单线程的并不冲突。

参考链接：https://xxetb.xetslk.com/s/1QH6AQ