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单线程的Redis为什么能支持10w+的QPS?

单线程为什么能支持10w+的QPS?

我们经常听到Redis是一个单线程程序。准确的说Redis是一个多线程程序,只不过请求处理的部分是用一个线程来实现的。

阿里云对Redis QPS的测试结果如下所示

单线程的Redis为什么这么快

「Redis是如何用单线程来实现每秒10w+的QPS的呢?」

  1. 使用IO多路复用
  2. 非CPU密集型任务
  3. 纯内存操作
  4. 高效的数据结构

「只用一个线程怎么来处理多个客户端的连接呢?」

这就不得不提IO多路复用技术,即Java中的NIO。

当我们使用阻塞IO(Java中的BIO),调用read函数,传入参数n,表示读取n个字节后线程才会返回,不然就一直阻塞。write方法一般不会阻塞,除非写缓冲区被写满,write才会被阻塞,直到缓冲区中有空间被释放出来。

当我们使用IO多路复用技术时,当没有数据可读或者可写,客户端线程会直接返回,并不会阻塞。这样Redis就可以用一个线程来监听多个Socket,当一个Socket可读或可写的时候,Redis去读取请求,操作内存中数据,然后返回。

「当采用单线程时,就无法使用多核CPU,但Redis中大部分命令都不是CPU密集型任务,所以CPU并不是Redis的瓶颈」

高并发和大数据量的请宽下Redis的瓶颈主要体现在内存和网络带宽,所以你看Redis为了节省内存,在底层数据结构上占用的内存能少就少,并且一种类型的数据在不同的场景下会采用不同的数据结构。

单线程的Redis为什么这么快

「所以Redis采用单线程就已经能处理海量的请求,因此就没必要使用多线程」。除此之外,「使用单线程还有如下好处」

  1. 没有了线程切换的性能开销
  2. 各种操作不用加锁(如果采用多线程,则对共享资源的访问需要加锁,增加开销)
  3. 方便调试,可维护性高

「最后Redis是一个内存数据库,各种命令的读写操作都是基于内存完成的」。大家都知道操作内存和操作磁盘效率相差好几个数量级。虽然Redis的效率很高,但还是有一些慢操作需要大家避免

Redis有哪些慢操作?

单线程的Redis为什么这么快

Redis的各种命令是在一个线程中依次执行的,如果一个命令在Redis中执行的时间过长,就会影响整体的性能,因为后面的请求要等到前面的请求被处理完才能被处理,这些耗时的操作有如下几个部分

Redis可以通过日志记录那些耗时长的命令,使用如下配置即可

# 命令执行耗时超过 5 毫秒,记录慢日志
CONFIG SET slowlog-log-slower-than 5000
# 只保留最近 500 条慢日志
CONFIG SET slowlog-max-len 500

执行如下命令,就可以查询到最近记录的慢日志

127.0.0.1:6379> SLOWLOG get 5
1) 1) (integer) 32693       # 慢日志ID
   2) (integer) 1593763337  # 执行时间戳
   3) (integer) 5299        # 执行耗时(微秒)
   4) 1) "LRANGE"           # 具体执行的命令和参数
      2) "user_list:2000"
      3) "0"
      4) "-1"
2) 1) (integer) 32692
   2) (integer) 1593763337
   3) (integer) 5044
   4) 1) "GET"
      2) "user_info:1000"
...

使用复杂度过高的命令

之前的文章我们已经介绍了Redis的底层数据结构,它们的时间复杂度如下表所示

名称时间复杂度dict(字典)O(1)ziplist (压缩列表)O(n)zskiplist (跳表)O(logN)quicklist(快速列表)O(n)intset(整数集合)O(n)

「单元素操作」:对集合中的元素进行增删改查操作和底层数据结构相关,如对字典进行增删改查时间复杂度为O(1),对跳表进行增删查时间复杂为O(logN)

「范围操作」:对集合进行遍历操作,比如Hash类型的HGETALL,Set类型的SMEMBERS,List类型的LRANGE,ZSet类型的ZRANGE,时间复杂度为O(n),避免使用,用SCAN系列命令代替。(hash用hscan,set用sscan,zset用zscan)

「聚合操作」:这类操作的时间复杂度通常大于O(n),比如SORT、SUNION、ZUNIONSTORE

「统计操作」:当想获取集合中的元素个数时,如LLEN或者SCARD,时间复杂度为O(1),因为它们的底层数据结构如quicklist,dict,intset保存了元素的个数

「边界操作」:list底层是用quicklist实现的,quicklist保存了链表的头尾节点,因此对链表的头尾节点进行操作,时间复杂度为O(1),如LPOP、RPOP、LPUSH、RPUSH

*「当想获取Redis中的key时,避免使用keys ,Redis中保存的键值对是保存在一个字典中的(和Java中的HashMap类似,也是通过数组+链表的方式实现的),key的类型都是string,value的类型可以是string,set,list等

例如当我们执行如下命令后,redis的字典结构如下

set bookName redis;
rpush fruits banana apple;

单线程的Redis为什么这么快

我们可以用keys命令来查询Redis中特定的key,如下所示

# 查询所有的key
keys *
# 查询以book为前缀的key
keys book*

keys命令的复杂度是O(n),它会遍历这个dict中的所有key,如果Redis中存的key非常多,所有读写Redis的指令都会被延迟等待,所以千万不用在生产环境用这个命令(如果你已经准备离职的话,祝你玩的开心)。

「既然不让你用keys,肯定有替代品,那就是scan」

scan和keys相比,有如下特点

  1. 复杂虽然也是O(n),但是是通过游标分布执行的,不会阻塞线程
  2. 同keys一样,提供模式匹配功能
  3. 从完整遍历开始到完整遍历结束,一直存在于数据集内的所有元素都会被完整遍历返回,但是同一个元素可能会被返回多次
  4. 如果一个元素是在迭代过程中被添加到数据集的,或者在迭代过程中从数据集中被删除的,那么这个元素可能会被返回,也可能不会被返回
  5. 返回结果为空并不意味着遍历结束,而要看返回的游标值是否为0

有兴趣的小伙伴可以分析一下scan源码的实现就能明白这些特性了

「用用zscan遍历zset,hscan遍历hash,sscan遍历set的原理和scan命令类似,因为hash,set,zset的底层实现的数据结构中都有dict。」

操作bigkey

「如果一个key对应的value非常大,那么这个key就被称为bigkey。写入bigkey在分配内存时需要消耗更长的时间。同样,删除bigkey释放内存也需要消耗更长的时间」

如果在慢日志中发现了SET/DEL这种复杂度不高的命令,此时你就应该排查一下是否是由于写入bigkey导致的。

「如何定位bigkey?」

Redis提供了扫描bigkey的命令

$ redis-cli -h 127.0.0.1 -p 6379 --bigkeys -i 0.01

...
-------- summary -------

Sampled 829675 keys in the keyspace!
Total key length in bytes is 10059825 (avg len 12.13)

Biggest string found 'key:291880' has 10 bytes
Biggest   list found 'mylist:004' has 40 items
Biggest    set found 'myset:2386' has 38 members
Biggest   hash found 'myhash:3574' has 37 fields
Biggest   zset found 'myzset:2704' has 42 members

36313 strings with 363130 bytes (04.38% of keys, avg size 10.00)
787393 lists with 896540 items (94.90% of keys, avg size 1.14)
1994 sets with 40052 members (00.24% of keys, avg size 20.09)
1990 hashs with 39632 fields (00.24% of keys, avg size 19.92)
1985 zsets with 39750 members (00.24% of keys, avg size 20.03)

可以看到命令的输入有如下3个部分

  1. 内存中key的数量,已经占用的总内存,每个key占用的平均内存
  2. 每种类型占用的最大内存,已经key的名字
  3. 每种数据类型的占比,以及平均大小

这个命令的原理就是redis在内部执行了scan命令,遍历实例中所有的key,然后正对key的类型,分别执行strlen,llen,hlen,scard,zcard命令,来获取string类型的长度,容器类型(list,hash,set,zset)的元素个数

使用这个命令需要注意如下两个问题

  1. 对线上实例进行bigkey扫描时,为避免ops(operation per second 每秒操作次数)突增,可以通过-i增加一个休眠参数,上面的含义为,每隔100条scan指令就会休眠0.01s
  2. 对于容器类型(list,hash,set,zset),扫描出的是元素最多的key,但一个key的元素数量多,不一定代表占用的内存多

「如何解决bigkey带来的性能问题?」

  1. 尽量避免写入bigkey
  2. 如果使用的是redis4.0以上版本,可以用unlink命令代替del,此命令可以把释放key内存的操作,放到后台线程中去执行
  3. 如果使用的是redis6.0以上版本,可以开启lazy-free机制(lazyfree-lazy-user-del yes),执行del命令的时候,也会放到后台线程中去执行

大量key集中过期

我们可以给Redis中的key设置过期时间,那么当key过期了,它在什么时候会被删除呢?

「如果让我们写Redis过期策略,我们会想到如下三种方案」

  1. 定时删除,在设置键的过期时间的同时,创建一个定时器。当键的过期时间来临时,立即执行对键的删除操作
  2. 惰性删除,每次获取键的时候,判断键是否过期,如果过期的话,就删除该键,如果没有过期,则返回该键
  3. 定期删除,每隔一段时间,对键进行一次检查,删除里面的过期键 定时删除策略对CPU不友好,当过期键比较多的时候,Redis线程用来删除过期键,会影响正常请求的响应

定时删除策略对CPU不友好,当过期键比较多的时候,Redis线程用来删除过期键,会影响正常请求的响应

惰性删除读CPU是比较有好的,但是会浪费大量的内存。如果一个key设置过期时间放到内存中,但是没有被访问到,那么它会一直存在内存中

定期删除策略则对CPU和内存都比较友好

redis过期key的删除策略选择了如下两种

  1. 惰性删除
  2. 定期删除

「惰性删除」客户端在访问key的时候,对key的过期时间进行校验,如果过期了就立即删除

「定期删除」Redis会将设置了过期时间的key放在一个独立的字典中,定时遍历这个字典来删除过期的key,遍历策略如下

  1. 每秒进行10次过期扫描,每次从过期字典中随机选出20个key
  2. 删除20个key中已经过期的key
  3. 如果过期key的比例超过1/4,则进行步骤一
  4. 每次扫描时间的上限默认不超过25ms,避免线程卡死

「因为Redis中过期的key是由主线程删除的,为了不阻塞用户的请求,所以删除过期key的时候是少量多次」。源码可以参考expire.c中的activeExpireCycle方法

为了避免主线程一直在删除key,我们可以采用如下两种方案

  1. 给同时过期的key增加一个随机数,打散过期时间,降低清除key的压力
  2. 如果你使用的是redis4.0版本以上的redis,可以开启lazy-free机制(lazyfree-lazy-expire yes),当删除过期key时,把释放内存的操作放到后台线程中执行

内存达到上限,触发淘汰策略

单线程的Redis为什么这么快

Redis是一个内存数据库,当Redis使用的内存超过物理内存的限制后,内存数据会和磁盘产生频繁的交换,交换会导致Redis性能急剧下降。所以在生产环境中我们通过配置参数maxmemoey来限制使用的内存大小。

当实际使用的内存超过maxmemoey后,Redis提供了如下几种可选策略。

noeviction:写请求返回错误

volatile-lru:使用lru算法删除设置了过期时间的键值对 volatile-lfu:使用lfu算法删除设置了过期时间的键值对 volatile-random:在设置了过期时间的键值对中随机进行删除 volatile-ttl:根据过期时间的先后进行删除,越早过期的越先被删除

allkeys-lru:在所有键值对中,使用lru算法进行删除 allkeys-lfu:在所有键值对中,使用lfu算法进行删除 allkeys-random:所有键值对中随机删除

「Redis的淘汰策略也是在主线程中执行的。****但****内存超过Redis上限后,每次写入都需要淘汰一些key,导致请求时间变长」

可以通过如下几个方式进行改善

  1. 增加内存或者将数据放到多个实例中
  2. 淘汰策略改为随机淘汰,一般来说随机淘汰比lru快很多
  3. 避免存储bigkey,降低释放内存的耗时

写AOF日志的方式为always

单线程的Redis为什么这么快

Redis的持久化机制有RDB快照和AOF日志,每次写命令之后后,Redis提供了如下三种刷盘机制

always:同步写回,写命令执行完就同步到磁盘 everysec:每秒写回,每个写命令执行完,只是先把日志写到aof文件的内存缓冲区,每隔1秒将缓冲区的内容写入磁盘 no:操作系统控制写回,每个写命令执行完,只是先把日志写到aof文件的内存缓冲区,由操作系统决定何时将缓冲区内容写回到磁盘

当aof的刷盘机制为always,redis每处理一次写命令,都会把写命令刷到磁盘中才返回,整个过程是在Redis主线程中进行的,势必会拖慢redis的性能

当aof的刷盘机制为everysec,redis写完内存后就返回,刷盘操作是放到后台线程中去执行的,后台线程每隔1秒把内存中的数据刷到磁盘中

当aof的刷盘机制为no,宕机后可能会造成部分数据丢失,一般不采用。

「一般情况下,aof刷盘机制配置为everysec即可」

fork耗时过长

在持久化一节中,我们已经提到「Redis生成rdb文件和aof日志重写,都是通过主线程fork子进程的方式,让子进程来执行的,主线程的内存越大,阻塞时间越长。」

可以通过如下方式优化

  1. 控制Redis实例的内存大小,尽量控制到10g以内,因为内存越大,阻塞时间越长
  2. 配置合理的持久化策略,如在slave节点生成rdb快照