一文帶你快速了解Redis中的線程IO模型

Redis是單線程的，但為什麼那麼快尼？原因之一就是redis使用非阻塞IO與多路復用處理大量的客戶端連線。以下這篇文章就來帶大家了解一下Redis中的線程IO模型，希望對大家有幫助！

Redis是一個單線程的應用程序，NodeJs、Nginx都是單線程，它們都屬於伺服器高效能的典範。 【相關推薦：Redis影片教學】

Redis之所以是單執行緒還能這麼快的原因：

其一是因為它所有的資料都在內存當中，所有的運算都是記憶體層級的運算，所以使用redis時，要注意時間複雜度為O(n)的指令，因為是單線程的，如果資料量太大，會讓其他指令被阻塞等待；

其二是因為redis使用非阻塞IO與多路復用處理大量的客戶端連線。

非阻塞IO

當我們使用套接字的讀寫方法時，預設是阻塞的，

即呼叫read方法傳遞一個參數n，表示最多讀取n個位元組後返回，如果一個位元組都沒有，線程就會在read方法這裡持續等待，直到有資料過來或連接被關閉，read方法此時返回，線程才能執行下面的邏輯，

write方法通常不會阻塞，除非核心為套接字分配的寫緩衝區滿了，write方法才會阻塞，一直到快取區中有空間閒出來。

下圖是套接字讀寫的細節流程。

非阻塞IO在使用套接字時提供了一個選項Non_Blocking，當這個選項開啟時，讀寫方法不會阻塞，而是能讀多少讀多少，能寫多少寫多少，

能讀多少取決與內核為套接字分配的讀取緩衝區的數據字節數，能寫多少取決於內核為套接字寫緩衝區分配的數據位元組數，

讀寫方法都會透過傳回值告訴程式讀寫了多少位元組數。

非阻塞IO意味著讀寫時，執行緒不必再被阻塞著，讀寫可以瞬間完成，執行緒可以繼續往下做別的事情。

多路復用(事件輪詢)

非阻塞IO雖然很快，但是也帶來一個問題，線程讀數據，讀了一部分就返回了，沒有讀完，剩下的數據何時繼續讀取？ ，寫數據，緩衝區滿了，沒有寫完，剩下的數據何時繼續寫？

當可以繼續讀取或可以繼續寫時，應該給應用程式一個通知，告訴應用程式可以繼續讀取或繼續寫，事件輪詢API就是用來處理這個問題的。

select

作業系統提供了一個select函數給使用者程序，輸入是讀寫描述符列表read_fds & write_fds，輸出是與之對應的可讀可寫事件，

同時也提供了timeout參數，線程最多等待timeout的時間，在這段期間有事件過來，方法立刻返回，線程往下處理，如果超過timeout時間，方法也會返回，

如果拿到事件了，線程即可挨個處理相應的事件，處理完了以後繼續調用select api 輪詢，所以該線程其實是一個死循環，不停的select，不停的處理，來回這樣，這個死循環稱為事件循環，一個循環即一個週期。

事件循環偽代碼:

while True
    read_events, write_events = select(read_fds, write_fds, timeout)
    for event in read_events:
        handle_read(event.fd)
    for event in write_events:
        handle_write(event.fd)
    handle_others() # 做其他的逻辑处理，处理定时任务等等

透過select函數我們可以處理多個通道描述子的讀寫事件，所以將select這類的系統函數呼叫稱為多路復用API，

現代作業系統的多路復用API已經不使用select系統調用，改用epoll(linux)和kqueue(FreeBSD、macosx)，

select的效能在描述符變多時會變得很差，epoll與select使用起來略有差異，不過都可以用上面的偽代碼理解，都是當描述符發生事件時，循環對描述符的事件做出處理，

serversocket物件的讀取操作是指呼叫accept接受客戶端新連接，何時有連接來臨，也是透過select呼叫的讀取事件通知的。

Java中的NIO技術就是事件輪詢，其他語言也有這個技術。

指令佇列

Redis為每個客戶端套接字關聯一個指令佇列，客戶端發出的指令透過佇列進行先進先出的順序處理。

回應佇列

同樣Redis傳回的結果也透過為每個客戶端關聯的一個佇列傳回，如果佇列為空，則暫時不需要去取得寫事件，

此時會將該客戶端描述符從write_fds裡移除，等隊列有資料的時候，再將描述符放進去，這樣可以避免select系統呼叫回傳寫事件時，發現沒資料可寫，造成空輪詢、無用輪詢，對機器CPU的消耗。

定時任務

伺服器不單要回應IO事件，有些其他的事情也需要處理，例如應用程式本身的定時任務，如果執行緒阻塞在select呼叫上，等待select的返回，這會造成有些定時任務到期了，卻沒有執行，

Redis的定時任務記錄在一個稱為最小堆的資料結構中，這個堆中，最快要執行的任務排在最上方，每個循環週期裡，redis會對堆中已經到時間點的任務進行處理，

處理完畢後，將堆中即將要執行的任務還需要的時間記錄下來，再次調用select時，這個時間就是timeout的值，在這段期間內不會有其他任務需要執行了，redis可以放心的最多阻塞這麼久，然後到時間後進行相應的處理。

NodeJs和Nginx的事件處理原理和Redis也是類似的形式。

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