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周群达:Redis性能解析--Redis为什么那么快?

周群达:Redis性能解析--Redis为什么那么快?

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  Redis的实际被应用都是因为它的性能,在众多缓存中Redis也是一个比较快的中间件,而且它是单线程操作,没有过的内存开销,给程序带来了更多的扩展空间。

  在保证网络通畅的情况下,相同的CPU和相同的Redis版本,处理不同大小的数据,Redis的吞吐量如下图所示,该图来自Redis的官方网站。我们可以在网站中看到。Redis在处理1000字节的数据的时候,都是稳定位置吞吐量在10w,当处理的数据不断增大的时候,吞吐量才慢慢开始下降。

  图片来自redis官网

  下图是提供的QPS测试图,官方提供的数据是可以达到100000+的QPS(每秒内查询次数)。

  图片来自redis官网

  纯内存KV操作

  内部是单程实现的(不需要创建/销毁线程,避免上下文切换,无并发资源竞争的问题)

  异步非阻塞的I/O(多路复用)

  我们从上面的介绍里面我们看到了Redis是一个纯kv的操作。并且Redis绝大部分请求是纯粹的内存操作,所以速度非常快。数据存在内存中,类型与存在hashMap中,那么为什么那么快呢?我们可以一起来看一下几种常用数据结构的对比,和他们的优势。

  数据结构

  操作

  时间复杂度

  List

  insert

  O(N)

  List

  select

  O(1)

  Set

  insert

  O(1)

  Set

  select

  O(1)

  HashMap

  insert

  O(1)

  HashMap

  select

  O(1)

  从上图我们可以看出,HashMap的优势就是查找和操作的时间复杂度都是O(1),所以Redis内部采用这种结构能够从根本上获得足够的优势,当让,Redis的快速不仅仅是数据结构成就的,还有单程成和异步I/O

  Redis使用单线程就够了!我们可以看到下图中官网的描述,Redis的使用瓶颈并不是CPU,它主要受到内存和网络的限制。例如,使用在一般Linux系统上运行的流水线Redis每秒可以发送一百万个请求,因此,如果您的应用程序主要使用O(N)或O(log(N))命令,则几乎不会使用过多的CPU 。

  从描述中我们可以看到,Redis在使用的时候,使用单线程就已经能够获取Redis足够使用的CPU资源,主要的瓶颈在于内存。但是单线程为什么能够做到这么快的速度的呢?

  从上面官网的介绍我们看到了,Redis的瓶颈不在线程,不在获取CPU的资源,所以如果使用多线程就会带来多余的资源占用。比如上下文切换、资源竞争、锁的操作。

  上下文的切换

  上下文其实不难理解,它就是CPU寄存器和程序计数器。主要的作用就是存放没有被分配到资源的线程,多线程操作的时候,不是每一个线程都能够直接获取到CPU资源的,我们之所以能够看到我们电脑上能够运行很多的程序,是应为多线程的执行和CPU不断对多线程的切换。但是总有线程获取到资源,也总有线程需要等待获取资源,这个时候,等待获取资源的线程就需要被挂起,也就是我们的寄存。这个时候我们的上下文就产生了,当我们的上下文再次被唤起,得到资源的时候,就是我们上下文的切换。

  竞争资源

  竞争资源相对来说比较好理解,CPU对上下文的切换其实就是一种资源分批,但是在切换之前,到底切换到哪一个上下文,就是资源竞争的开始。在我redis中由于是单线程的,所以所有的操作都不会涉及到资源的竞争。

  锁的消耗

  对于多线程的情况来讲,不能回避的就是锁的问题。如果说多线程操作出现并发,有可能导致数据不一致,或者操作达不到预期的效果。这个时候我们就需要锁来解决这些问题。当我们的线程很多的时候,就需要不断的加锁,释放锁,该操作就会消耗掉我们很多的时间

  对于I/O阻塞可能有很多人不知道,I/O操作的阻塞到底是怎么引起的,Redis又是怎么解决的呢?

  I/O操作的阻塞:当用户线程发出IO请求之后,内核会去查看数据是否就绪,如果没有就绪就会等待数据就绪,而用户线程就会处于阻塞状态,用户线程交出CPU。当数据就绪之后,内核会将数据拷贝到用户线程,并返回结果给用户线程,用户线程才解除block状态。

  Redis采用多路复用:I/O 多路复用其实是在单个线程中通过记录跟踪每一个sock(I/O流) 的状态来管理多个I/O流。select, poll, epoll 都是I/O多路复用的具体的实现。epoll性能比其他几者要好。redis中的I/O多路复用的所有功能通过包装常见的select、epoll、evport和kqueue这些I/O多路复用函数库来实现的。

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