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搞懂Redis到底快在哪里

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 osc_gu9d45li
发布于 2019/04/07 13:33
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 前言

   Redis是一种基于键值对(Key-Value)的NoSQL数据库,Redis的Value可以由String,hash,list,set,zset,Bitmaps,HyperLogLog等多种数据结构和算法组成。Redis还提供了键过期,发布订阅,事务,Lua脚本,哨兵,Cluster等功能。Redis执行命令的速度非常快,根据官方给的性能可以达到10w+qps。那么本文主要介绍到底Redis快在哪里,主要有以下几点:

 

一.开发语言

  现在我们都用高级语言来编程,比如Java、python等。也许你会觉得C语言很古老,但是它真的很有用,毕竟unix系统就是用C实现的,所以C语言是非常贴近操作系统的语言。Redis就是用C语言开发的,所以执行会比较快。

  另外多说一句,大学生们好好学C,会让你更好的理解计算机操作系统。别觉得学了高级语言就可以不用关注底层,欠的债总归要还的。此处推荐一本比较难啃的书《深入理解计算系统》。

 

二.纯内存访问

  Redis将所有数据放在内存中,非数据同步正常工作中,是不需要从磁盘读取数据的,0次IO。内存响应时间大约为100纳秒,这是Redis速度快的重要基础。先看看CPU的速度:

  拿我的电脑来说,主频是3.1G,也就是说每秒可以执行3.1*10^9个指令。所以说CPU看世界是非常非常慢的,内存比它慢百倍,磁盘比他慢百万倍,你说快不快?

  借了一张《深入理解计算机系统》的图,展示了一个典型的存储器层次结构,在L0层,CPU可以在一个时钟周期访问到,基于SRAM的高速缓存春续期,可以在几个CPU时钟周期访问到,然后是基于DRAM的主存,可以在几十到几百个时钟周期访问到他们。

 

三.单线程

  第一,单线程简化算法的实现,并发的数据结构实现不但困难且测试也麻烦。第二,单线程避免了线程切换以及加锁释放锁带来的消耗,对于服务端开发来说,锁和线程切换通常是性能杀手。当然了,单线程也会有它的缺点,也是Redis的噩梦:阻塞。如果执行一个命令过长,那么会造成其他命令的阻塞,对于Redis是十分致命的,所以Redis是面向快速执行场景的数据库。

  除了Redis之外,Node.js也是单线程,Nginx也是单线程,但他们都是服务器高性能的典范。

 

四.非阻塞多路I/O复用机制

  在这之前先要说一下传统的阻塞I/O是如何工作的:当使用read或者write对某一文件描述符(File Descriptor FD)进行读写的时候,如果数据没有收到,那么该线程会被挂起,直到收到数据。阻塞模型虽然易于理解,但是在需要处理多个客户端任务的时候,不会使用阻塞模型。

  I/O多路复用实际上是指多个连接的管理可以在同一进程。多路是指网络连接,复用只是同一个线程。在网络服务中,I/O多路复用起的作用是一次性把多个连接的事件通知业务代码处理,处理的方式由业务代码来决定。在I/O多路复用模型中,最重要的函数调用就是I/O 多路复用函数,该方法能同时监控多个文件描述符(fd)的读写情况,当其中的某些fd可读/写时,该方法就会返回可读/写的fd个数。

  Redis使用epoll作为I/O多路复用技术的实现,再加上Redis自身的事件处理模型将epoll的read、write、close等都转换成事件,不在网络I/O上浪费过多的时间。实现对多个FD读写的监控,提高性能。

  举个形象的例子吧。比如一个tcp服务器处理20个客户端socket。A方案:顺序处理,如果第一个socket因为网卡读数据处理慢了,一阻塞后面都玩蛋去。B方案:每个socket请求都创建一个分身子进程来处理,不说每个进程消耗大量系统资源,光是进程切换就够操作系统累的了。C方案(I/O复用模型,epoll):将用户socket对应的fd注册进epoll(实际上服务器和操作系统之间传递的不是socket的fd而是fd_set的数据结构),然后epoll只告诉哪些需要读/写的socket,只需要处理那些活跃的、有变化的socket fd的就好了。这样,整个过程只在调用epoll的时候才会阻塞,收发客户消息是不会阻塞的。

 

 

参考:

《Redis实战》

《Redis开发》

《Redis Cookbook》

《深入理解计算机系统》

《码农翻身》

https://draveness.me/redis-io-multiplexing

https://www.zhihu.com/question/28594409/answer/52835876

http://www.masterraghu.com/subjects/np/introduction/unix_network_programming_v1.3/ch06lev1sec2.html

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