支持多線程的Redis 6.0終于發(fā)布了！
支持多線程的 Redis 6.0 版本于 2020-05-02 終于發(fā)布了，為什么 Redis 忽然要支持多線程?如何開啟多線程?開啟后性能提升效果如何?線程數(shù)量該如何設(shè)置?開啟多線程后會不會有線程安全問題?多線程的實現(xiàn)原理是怎樣的?帶著這些疑問，我們來開啟 Redis 新特性-多線程連環(huán) 13 問。
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Redis 6.0 來了
在全國一片祥和 IT 民工歡度五一節(jié)假日的時候，Redis 6.0 不聲不響地于 5 月 2 日正式發(fā)布了，嚇得我趕緊從床上爬起來，學無止境!學無止境!
對于 6.0 版本，Redis 之父 Antirez 在 RC1 版本發(fā)布時(2019-12-19)在他的博客上連續(xù)用了幾個“EST”詞語來評價：
- the most “enterprise” Redis version to date // 最”企業(yè)級”的
- the largest release of Redis ever as far as I can tell // 最大的
- the one where the biggest amount of people participated // 參與人數(shù)最多的
這個版本提供了諸多令人心動的新特性及功能改進，比如新網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 RESP3，新的集群代理，ACL 等，其中關(guān)注度最高的應(yīng)該是“多線程”了。
筆者也第一時間體驗了一下，帶著眾多疑問，我們來一起開始“Redis 6.0 新特性-多線程連環(huán) 13 問”。
Redis 6.0 多線程連環(huán)13問
①Redis 6.0 之前的版本真的是單線程嗎?
Redis 在處理客戶端的請求時，包括獲取(Socket 讀)、解析、執(zhí)行、內(nèi)容返回(Socket 寫)等都由一個順序串行的主線程處理，這就是所謂的“單線程”。
但如果嚴格來講從 Redis 4.0 之后并不是單線程，除了主線程外，它也有后臺線程在處理一些較為緩慢的操作，例如清理臟數(shù)據(jù)、無用連接的釋放、大 Key 的刪除等等。
②Redis 6.0 之前為什么一直不使用多線程?
官方曾做過類似問題的回復：使用 Redis 時，幾乎不存在 CPU 成為瓶頸的情況， Redis 主要受限于內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)。
例如在一個普通的 Linux 系統(tǒng)上，Redis 通過使用 Pipelining 每秒可以處理 100 萬個請求，所以如果應(yīng)用程序主要使用 O(N) 或 O(log(N)) 的命令，它幾乎不會占用太多 CPU。
使用了單線程后，可維護性高。多線程模型雖然在某些方面表現(xiàn)優(yōu)異，但是它卻引入了程序執(zhí)行順序的不確定性，帶來了并發(fā)讀寫的一系列問題，增加了系統(tǒng)復雜度、同時可能存在線程切換、甚至加鎖解鎖、死鎖造成的性能損耗。
Redis 通過 AE 事件模型以及 IO 多路復用等技術(shù)，處理性能非常高，因此沒有必要使用多線程。
單線程機制使得 Redis 內(nèi)部實現(xiàn)的復雜度大大降低，Hash 的惰性 Rehash、Lpush 等等 “線程不安全” 的命令都可以無鎖進行。
③Redis 6.0 為什么要引入多線程呢?
Redis 將所有數(shù)據(jù)放在內(nèi)存中，內(nèi)存的響應(yīng)時長大約為 100 納秒，對于小數(shù)據(jù)包，Redis 服務(wù)器可以處理 80,000 到 100,000 QPS，這也是 Redis 處理的極限了，對于 80% 的公司來說，單線程的 Redis 已經(jīng)足夠使用了。
但隨著越來越復雜的業(yè)務(wù)場景，有些公司動不動就上億的交易量，因此需要更大的 QPS。
常見的解決方案是在分布式架構(gòu)中對數(shù)據(jù)進行分區(qū)并采用多個服務(wù)器，但該方案有非常大的缺點，例如要管理的 Redis 服務(wù)器太多，維護代價大。
某些適用于單個 Redis 服務(wù)器的命令不適用于數(shù)據(jù)分區(qū);數(shù)據(jù)分區(qū)無法解決熱點讀/寫問題;數(shù)據(jù)偏斜，重新分配和放大/縮小變得更加復雜等等。
從 Redis 自身角度來說，因為讀寫網(wǎng)絡(luò)的 Read/Write 系統(tǒng)調(diào)用占用了 Redis 執(zhí)行期間大部分 CPU 時間，瓶頸主要在于網(wǎng)絡(luò)的 IO 消耗。
優(yōu)化主要有兩個方向:
- 提高網(wǎng)絡(luò) IO 性能，典型的實現(xiàn)比如使用 DPDK 來替代內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)棧的方式。
- 使用多線程充分利用多核，典型的實現(xiàn)比如 Memcached。
協(xié)議棧優(yōu)化的這種方式跟 Redis 關(guān)系不大，支持多線程是一種最有效最便捷的操作方式。
所以總結(jié)起來，Redis 支持多線程主要就是兩個原因：
- 可以充分利用服務(wù)器 CPU 資源，目前主線程只能利用一個核。
- 多線程任務(wù)可以分攤 Redis 同步 IO 讀寫負荷。
④Redis 6.0 默認是否開啟了多線程?
Redis 6.0 的多線程默認是禁用的，只使用主線程。如需開啟需要修改 redis.conf 配置文件：io-threads-do-reads yes。
⑤Redis 6.0 多線程開啟時，線程數(shù)如何設(shè)置?
開啟多線程后，還需要設(shè)置線程數(shù)，否則是不生效的。同樣修改 redis.conf 配置文件：
關(guān)于線程數(shù)的設(shè)置，官方有一個建議：4 核的機器建議設(shè)置為 2 或 3 個線程，8 核的建議設(shè)置為 6 個線程，線程數(shù)一定要小于機器核數(shù)。
還需要注意的是，線程數(shù)并不是越大越好，官方認為超過了 8 個基本就沒什么意義了。
⑥Redis 6.0 采用多線程后，性能的提升效果如何?
Redis 作者 antirez 在 RedisConf 2019 分享時曾提到：Redis 6 引入的多線程 IO 特性對性能提升至少是一倍以上。
國內(nèi)也有大牛曾使用 unstable 版本在阿里云 esc 進行過測試，GET/SET 命令在 4 線程 IO 時性能相比單線程是幾乎是翻倍了。
測試環(huán)境：
Redis Server：阿里云 Ubuntu 18.04，8 CPU 2.5 GHZ, 8G 內(nèi)存，主機型號 ecs.ic5.2xlarge
Redis Benchmark Client：阿里云 Ubuntu 18.04，8 2.5 GHZ CPU, 8G 內(nèi)存，主機型號 ecs.ic5.2xlarge
測試結(jié)果：
詳見：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/76788470
說明 1：這些性能驗證的測試并沒有針對嚴謹?shù)难訒r控制和不同并發(fā)的場景進行壓測。數(shù)據(jù)僅供驗證參考而不能作為線上指標。
說明 2：如果開啟多線程，至少要 4 核的機器，且 Redis 實例已經(jīng)占用相當大的 CPU 耗時的時候才建議采用，否則使用多線程沒有意義。所以估計 80% 的公司開發(fā)人員看看就好。
⑦Redis 6.0 多線程的實現(xiàn)機制?
流程簡述如下：
- 主線程負責接收建立連接請求，獲取 Socket 放入全局等待讀處理隊列。
- 主線程處理完讀事件之后，通過 RR(Round Robin)將這些連接分配給這些 IO 線程。
- 主線程阻塞等待 IO 線程讀取 Socket 完畢。
- 主線程通過單線程的方式執(zhí)行請求命令，請求數(shù)據(jù)讀取并解析完成，但并不執(zhí)行。
- 主線程阻塞等待 IO 線程將數(shù)據(jù)回寫 Socket 完畢。
- 解除綁定，清空等待隊列。
圖片來源：https://ruby-china.org/topics/38957
該設(shè)計有如下特點：
- IO 線程要么同時在讀 Socket，要么同時在寫，不會同時讀或?qū)憽?/li>
- IO 線程只負責讀寫 Socket 解析命令，不負責命令處理。
⑧開啟多線程后，是否會存在線程并發(fā)安全問題?
從上面的實現(xiàn)機制可以看出，Redis 的多線程部分只是用來處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的讀寫和協(xié)議解析，執(zhí)行命令仍然是單線程順序執(zhí)行。
所以我們不需要去考慮控制 Key、Lua、事務(wù)，LPUSH/LPOP 等等的并發(fā)及線程安全問題。
⑨Linux 環(huán)境上如何安裝 Redis 6.0.1(6.0 的正式版是 6.0.1)?
這個和安裝其他版本的 Redis 沒有任何區(qū)別，整個流程跑下來也沒有任何的坑，所以這里就不做描述了。
唯一要注意的就是配置多線程數(shù)一定要小于 CPU 的核心數(shù)，查看核心數(shù)量命令：
- [root@centos7.5 ~]# lscpu
- Architecture: x86_64
- CPU op-mode(s): 32-bit, 64-bit
- Byte Order: Little Endian
- CPU(s): 4
- On-line CPU(s) list: 0-3
⑩Redis 6.0 的多線程和 Memcached 多線程模型進行對比
前些年 Memcached 是各大互聯(lián)網(wǎng)公司常用的緩存方案，因此 Redis 和 Memcached 的區(qū)別基本成了面試官緩存方面必問的面試題，最近幾年 Memcached 用的少了，基本都是 Redis。
不過隨著 Redis 6.0 加入了多線程特性，類似的問題可能還會出現(xiàn)，接下來我們只針對多線程模型來簡單比較一下。
如上圖所示：Memcached 服務(wù)器采用 master-woker 模式進行工作，服務(wù)端采用 Socket 與客戶端通訊。主線程、工作線程 采用 Pipe 管道進行通訊。
主線程采用 Libevent 監(jiān)聽 Listen、Accept 的讀事件，事件響應(yīng)后將連接信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)封裝起來，根據(jù)算法選擇合適的工作線程，將連接任務(wù)攜帶連接信息分發(fā)出去，相應(yīng)的線程利用連接描述符建立與客戶端的 Socket 連接并進行后續(xù)的存取數(shù)據(jù)操作。
Redis 6.0 與 Memcached 多線程模型對比：
- 相同點：都采用了 Master 線程 -Worker 線程的模型。
- 不同點：Memcached 執(zhí)行主邏輯也是在 Worker 線程里，模型更加簡單，實現(xiàn)了真正的線程隔離，符合我們對線程隔離的常規(guī)理解。
而 Redis 把處理邏輯交還給 Master 線程，雖然一定程度上增加了模型復雜度，但也解決了線程并發(fā)安全等問題。
⑪Redis 作者是如何點評 “多線程”這個新特性的?
關(guān)于多線程這個特性，在 6.0 RC1 時，Antirez 曾做過說明：
Redis 支持多線程有 2 種可行的方式：
第一種就是像“Memcached”那樣，一個 Redis 實例開啟多個線程，從而提升GET/SET等簡單命令中每秒可以執(zhí)行的操作。這涉及到 I/O、命令解析等多線程處理，因此，我們將其稱之為“I/O threading”。
另一種就是允許在不同的線程中執(zhí)行較耗時較慢的命令，以確保其它客戶端不被阻塞，我們將這種線程模型稱為“Slow commands threading”。
經(jīng)過深思熟慮，Redis 不會采用“I/O threading”，Redis 在運行時主要受制于網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)存，所以提升 Redis 性能主要是通過在多個 Redis 實例，特別是 Redis 集群。
接下來我們主要會考慮改進兩個方面：
- Redis 集群的多個實例通過編排能夠合理地使用本地實例的磁盤，避免同時重寫 AOF。
- 提供一個 Redis 集群代理，便于用戶在沒有較好的集群協(xié)議客戶端時抽象出一個集群。
補充說明一下，Redis 和 Memcached 一樣是一個內(nèi)存系統(tǒng)，但不同于 Memcached。
多線程是復雜的，必須考慮使用簡單的數(shù)據(jù)模型，執(zhí)行 LPUSH 的線程需要服務(wù)其他執(zhí)行 LPOP 的線程。
我真正期望的實際是“slow operations threading”，在 Redis 6 或 Redis 7 中，將提供“key-level locking”，使得線程可以完全獲得對鍵的控制以處理緩慢的操作。詳見：
http://antirez.com/news/126
⑫Redis 線程中經(jīng)常提到 IO 多路復用，如何理解?
這是 IO 模型的一種，即經(jīng)典的 Reactor 設(shè)計模式，有時也稱為異步阻塞 IO。
多路指的是多個 Socket 連接，復用指的是復用一個線程。多路復用主要有三種技術(shù)：Select，Poll，Epoll。
Epoll 是最新的也是目前最好的多路復用技術(shù)。采用多路 I/O 復用技術(shù)可以讓單個線程高效的處理多個連接請求(盡量減少網(wǎng)絡(luò) IO 的時間消耗)，且 Redis 在內(nèi)存中操作數(shù)據(jù)的速度非常快(內(nèi)存內(nèi)的操作不會成為這里的性能瓶頸)，主要以上兩點造就了 Redis 具有很高的吞吐量。
⑬你知道 Redis 的彩蛋 LOLWUT 嗎?
這個其實從 Redis 5.0 就開始有了，但是原諒我剛剛知道。作者是這么描述這個功能的《LOLWUT: a piece of art inside a database command》，“數(shù)據(jù)庫命令中的一件藝術(shù)品”。
你可以把它稱之為情懷，也可以稱之為彩蛋，具體是什么，我就不透露了。和我一樣不清楚是什么的小伙伴可以參見：http://antirez.com/news/123，每次運行都會隨機生成的噢。
參考、致謝：
- Redis 作者 Antirez 的博客：http://antirez.com
- https://www.zhihu.com/question/26943938/answer/68773398
- https://zhuanlan.zhihu.com/p/76788470
- http://www.web-lovers.com/redis-source-6-rc-mult-thread.html
- https://ruby-china.org/topics/38957
- https://redis.io/topics/faq#redis-is-single-threaded-how-can-i-exploit-multiple-cpu--cores
- https://juejin.im/post/5e9ae485f265da47b04d95d2
- https://www.cnblogs.com/gattaca/p/6929361.html
作者：劍圣
編輯：陶家龍
出處：轉(zhuǎn)載自微信公眾號碼大叔(ID：ma_dashu)
