《高效使用Redis》- 由面试题“Redis是否为单线程”引发的思考

由面试题“Redis是否为单线程”引发的思考

很多人都遇到过这么一道面试题：Redis是单线程还是多线程？这个问题既简单又复杂。说他简单是因为大多数人都知道Redis是单线程，说复杂是因为这个答案其实并不准确。

难道Redis不是单线程？我们启动一个Redis实例，验证一下就知道了。Redis安装部署方式如下所示：

// 下载
wget https://download.redis.io/redis-stable.tar.gz
tar -xzvf redis-stable.tar.gz
// 编译安装
cd redis-stable
make
// 验证是否安装成功
./src/redis-server -v
Redis server v=7.2.4

接下来启动Redis实例，使用命令ps查看所有线程，如下所示：

// 启动Redis实例
./src/redis-server ./redis.conf

// 查看实例进程ID
ps aux | grep redis
root     385806  0.0  0.0 245472 11200 pts/2    Sl+  17:32   0:00 ./src/redis-server 127.0.0.1:6379

// 查看所有线程
ps -L -p 385806
   PID    LWP TTY          TIME CMD
385806 385806 pts/2    00:00:00 redis-server
385806 385809 pts/2    00:00:00 bio_close_file
385806 385810 pts/2    00:00:00 bio_aof
385806 385811 pts/2    00:00:00 bio_lazy_free
385806 385812 pts/2    00:00:00 jemalloc_bg_thd
385806 385813 pts/2    00:00:00 jemalloc_bg_thd

竟然有6个线程！不是说Redis是单线程吗？怎么会有这么多线程呢？

这6个线程的含义你可能不太了解，但是通过这个示例至少说明Redis并不是单线程。

1 Redis中的多线程

接下来我们逐个介绍上述6个线程的作用：

1）redis-server：

主线程，用于接收并处理客户端请求。

2）jemalloc_bg_thd

jemalloc 是新一代的内存分配器，Redis底层使用他管理内存。

3）bio_xxx：

以bio前缀开始的都是异步线程，用于异步执行一些耗时任务。其中，线程bio_close_file用于异步删除文件，线程bio_aof用于异步将AOF文件刷到磁盘，线程bio_lazy_free用于异步删除数据（懒删除）。

需要说明的是，主线程是通过队列将任务分发给异步线程的，并且这一操作是需要加锁的。主线程与异步线程的关系如下图所示：

主线程与异步线程

这里我们以懒删除为例，讲解为什么要使用异步线程。Redis是一款内存数据库，支持多种数据类型，包括字符串、列表、哈希表、集合等。思考一下，删除（DEL）列表类型数据的流程是怎样的呢？第一步从数据库字典中删除该键值对，第二步遍历并删除列表中的所有元素（释放内存）。想想如果列表中的元素数目非常多呢？这一步将非常耗时。这种删除方式称为同步删除，流程如下图所示：

同步删除流程图

针对上述问题，Redis提出了懒删除（异步删除），主线程在收到删除命令（UNLINK）时，首先从数据库字典中删除该键值对，随后再将删除任务分发给异步线程bio_lazy_free，由异步线程执行第二步耗时逻辑。这时候的流程如下图所示：

懒删除流程图

2 I/O多线程

难道Redis是多线程？那为什么我们老说Redis是单线程呢？这是因为读取客户端命令请求，执行命令以及向客户端返回结果都是在主线程完成的。不然的话，多线程同时操作内存数据库，并发问题如何解决？如果每次操作之前都加锁，那和单线程又有什么区别呢？

当然这一流程在Redis6.0版本也发生了改变，Redis官方指出，Redis是基于内存的键值对数据库，执行命令的过程是非常快的，读取客户端命令请求和向客户端返回结果（即网络I/O）通常会成为Redis的性能瓶颈。

因此，在Redis 6.0版本，作者加入了多线程I/O的能力，即可以开启多个I/O线程，并行读取客户端命令请求，并行向客户端返回结果。I/O多线程能力使得Redis性能提升至少一倍。

为了开启多线程I/O能力，需要先修改配置文件redis.conf：

io-threads-do-reads yes
io-threads 4

这两个配置含义如下：

io-threads-do-reads：是否开启多线程I/O能力，默认为"no"； - io-threads：I/O线程数目，默认为1，即只使用主线程执行网络I/O，线程数最大为128；该配置应该根据CPU核数设置，作者建议，4核CPU设置2~3个I/O线程，8核CPU设置6个I/O线程。
开启多线程I/O能力之后，重新启动Redis实例，查看所有线程，结果如下：

ps -L -p 104648
   PID    LWP TTY          TIME CMD
104648 104648 pts/1    00:00:00 redis-server
104648 104654 pts/1    00:00:00 io_thd_1
104648 104655 pts/1    00:00:00 io_thd_2
104648 104656 pts/1    00:00:00 io_thd_3
……

由于我们设置了io-threads等于4，所以会创建4个线程用于执行I/O操作（包括主线程），上述结果符合预期。

当然，只有I/O阶段才使用了多线程，处理命令请求还是单线程，毕竟多线程操作内存数据存在并发问题。

最后，开启了I/O多线程之后，命令的执行流程如下图所示：

I/O多线程流程图

3 Redis中的多进程

Redis还有多进程？是的。在某些场景下，Redis也会创建多个子进程来执行一些任务。以持久化为例，Redis支持两种类型的持久化：

AOF（Append Only File）：可以看作是命令的日志文件，Redis会将每一个写命令都追加到AOF文件。 - RDB（Redis Database）：以快照的方式存储Redis内存中的数据。命令SAVE用于手动触发RDB持久化。想想如果Redis中的数据量非常大，持久化操作必然耗时比较长，而Redis是单线程处理命令请求，那么当命令SAVE的执行时间过长时，必然会影响其他命令的执行。
命令SAVE有可能会阻塞其他请求，为此，Redis又引入了命令BGSAVE，该命令会创建一个子进程来执行持久化操作，这样就不会影响主进程执行其他请求了。

我们可以手动执行命令BGSAVE验证。首先，使用GDB跟踪Redis进程，添加断点，让子进程阻塞在持久化逻辑。如下所示：

// 查询Redis进程ID
ps aux | grep redis
root     448144  0.1  0.0 270060 11520 pts/1    tl+  17:00   0:00 ./src/redis-server 127.0.0.1:6379

// GDB跟踪进程
gdb -p 448144

// 跟踪创建的子进程（默认GDB只跟踪主进程，需手动设置）
(gdb) set follow-fork-mode child
// 函数rdbSaveDb用于持久化数据快照
(gdb) b rdbSaveDb
Breakpoint 1 at 0x541a10: file rdb.c, line 1300.
(gdb) c

设置好断点之后，使用Redis客户端发送命令BGSAVE，结果如下：

// 请求立即返回
127.0.0.1:6379&gt; bgsave
Background saving started

// GDB输出以下信息
[New process 452541]
Breakpoint 1, rdbSaveDb (...) at rdb.c:1300

可以看到，GDB目前跟踪的是子进程，进程ID是452541。也可以通过Linux命令 ps 查看所有进程，结果如下：

ps aux | grep redis
root     448144  0.0  0.0 270060 11520 pts/1    Sl+  17:00   0:00 ./src/redis-server 127.0.0.1:6379
root     452541  0.0  0.0 270064 11412 pts/1    t+   17:19   0:00 redis-rdb-bgsave 127.0.0.1:6379

可以看到子进程的名称是redis-rdb-bgsave，也就是该进程将所有数据的快照持久化在RDB文件。

最后再思考两个问题。

问题1：为什么采用子进程而不是子线程呢？
因为RDB是将数据快照持久化存储，如果采用子线程，主线程与子线程将会共享内存数据，主线程在持久化的同时还会修改内存数据，这有可能导致数据不一致。而主进程与子进程的内存数据是完全隔离的，不存在此问题。
问题2：假设Redis内存中存储了10GB的数据，在创建子进程执行持久化操作之后，此时子进程也需要10GB的内存吗？复制10GB的内存数据，也会比较耗时吧？另外如果系统只有15GB的内存，还能执行BGSAVE命令吗？
这里有一个概念叫写时复制（copy on write），在使用系统调用fork创建子进程之后，主进程与子进程的内存数据暂时还是共享的，但是当主进程需要修改内存数据时，系统会自动将该内存块复制一份，以此实现内存数据的隔离。命令BGSAVE的执行流程如下图所示：