由面试题“Redis是否为单线程”引发的思考【文末送书】_高效使用redis:一书学透数据存储与高可用集群

Redis是否为单线程引发的思考

在面试过程中，关于Redis是否为单线程的问题常常成为技术面试中的热门话题。这个问题涉及到Redis的核心架构，也牵扯到了对于单线程和多线程的理解。在探讨这个问题的过程中，我们不仅仅可以了解Redis的内部工作机制，还能深入思考单线程在现代计算机科学中的应用和局限性。

首先，让我们解答这个常见的面试问题：是的，Redis被称为单线程的数据库。但是，这并不代表Redis无法处理多个客户端请求。相反，Redis通过使用I/O多路复用的技术，能够在一个线程中高效地处理成千上万个并发连接。这使得Redis在读写密集型的场景下表现出色，因为它避免了多线程之间的竞争和同步开销。

然而，这并不是说Redis完全摒弃了多线程。虽然Redis主要采用单线程处理命令请求，但在后台会有一些工作线程用于执行一些耗时的操作，比如持久化和复制。这种设计使得Redis能够充分利用单线程的优势，同时通过少量的后台工作线程处理一些可能会阻塞主线程的任务，确保系统的稳定性和性能。

从这个问题引发的思考，我们可以深入探讨单线程在当今计算机科学领域的应用和局限性。单线程在某些场景下能够简化程序设计，避免了多线程之间的复杂的同步问题，提高了程序的可维护性。然而，对于高并发和计算密集型任务，单线程的性能可能会受到限制，因为它无法充分利用多核处理器的优势。

在实际开发中，我们需要根据具体场景选择合适的技术栈和架构。对于I/O密集型的任务，像Redis这样的单线程模型可能是一个不错的选择；而对于计算密集型任务，采用多线程或者多进程的模型可能更为合适。

Redis是单线程还是多线程？

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
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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
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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。

01 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：

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：
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：

02 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
1
2

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
……
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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：

03 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
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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> bgsave
Background saving started

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

04 结论

Redis的进程模型/线程模型还是比较复杂的，这里也只是简单介绍了部分场景下的多线程以及多进程，其他场景下的多线程、多进程还有待读者自己研究。

高效使用Redis：一书学透数据存储与高可用集群

1）知名企业专家联合撰写，助你攻克Redis数据存储与集群管理难题 2）详解Redis新特性、多种数据结构、启动与命令执行过程，以及持久化、主从复制和高可用集群的原理、实现与应用技巧

内容简介
全书主要分为三部分介绍Redis。
第1部分介绍Redis6中使用的数据结构，包括动态字符串、跳跃表、压缩列表、字典、整数集合和快速链表，详细介绍其基本结构及常见操作。
第二部分为本书核心篇章，首先介绍了Redis6的启动流程，命令解析流程，之后对Redis6中的命令实现进行了全面的介绍，包括键命令、字符串命令、哈希表命令、列表命令、集合及有序集合命令、地理位置相关的GEO命令、统计相关的HyperLogLog命令。
第三部分，主要介绍了Redis6的一些特性及使用，包括事务、持久化、主从复制以及集群等。
作者简介
熊浩含,字节跳动后端高级工程师，曾就职于百度、腾讯和滴滴。对Redis等开源软件有较深的研究。乐于钻研技术难点，喜欢折腾，在学习方面总结了一套较实用的方法论。
陈　雷,希望学产研负责人，清华大学与北京邮电大学硕士，曾在百度、腾讯和滴滴等公司工作，拥有15年产品研发经验，合著有《PHP 7底层设计与源码实现》。
黄　桃,希望学增长研发部负责人，从事互联网服务端研发与架构工作多年，熟悉PHP、Nginx、Redis等源码实现，乐于学习与分享，合著有《PHP 7底层设计与源码实现》。
李　乐,好未来Golang开发专家、西安电子科技大学硕士，曾就职于滴滴，乐于钻研技术与源码，合著有《Redis 5设计与源码分析》《Nginx底层设计与源码分析》。
施洪宝,Shopee后端研发工程师、东南大学硕士，对Redis、Nginx等开源软件有较深的理解，对高并发、分布式技术有浓厚兴趣。
周生政,与爱为舞后端高级工程师，曾就职于字节跳动、滴滴和北京环球国广媒体科技有限公司，熟悉To B和To C业务，拥有多年后端开源软件研究与实践经验，曾用Java、Go、Python、PHP开发线上系统。

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