作者:vivo互联网服务器团队-Wang Shaodong
一、概述
众所周知,Redis是一个高性能的数据存储框架,在高并发的系统设计中,Redis也是一个比较关键的组件,是我们提升系统性能的一大利器。深入去理解Redis高性能的原理显得越发重要,当然Redis的高性能设计是一个系统性的工程,涉及到很多内容,本文重点关注Redis的IO模型,以及基于IO模型的线程模型。
我们从IO的起源开始,讲述了阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO。基于多路复用IO,我们也梳理了几种不同的Reactor模型,并分析了几种Reactor模型的优缺点。基于Reactor模型我们开始了Redis的IO模型和线程模型的分析,并总结出Redis线程模型的优点、缺点,以及后续的Redis多线程模型方案。本文的重点是对Redis线程模型设计思想的梳理,捋顺了设计思想,就是一通百通的事了。
注:本文的代码都是伪代码,主要是为了示意,不可用于生产环境。
二、网络IO模型发展史
我们常说的网络IO模型,主要包含阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO、信号驱动IO、异步IO,本文重点关注跟Redis相关的内容,所以我们重点分析阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO,帮助大家后续更好的理解Redis网络模型。
我们先看下面这张图;
2.1 阻塞IO
我们经常说的阻塞IO其实分为两种,一种是单线程阻塞,一种是多线程阻塞。这里面其实有两个概念,阻塞和线程。
像建立连接、读、写都涉及到系统调用,本身是一个阻塞的操作。
2.1.1 单线程阻塞
服务端单线程来处理,当客户端请求来临时,服务端用主线程来处理连接、读取、写入等操作。
以下用代码模拟了单线程的阻塞模式;
import java.net.Socket;
public class BioTest {
public static void main(String[] args) throws IOException {
ServerSocket server=new ServerSocket(8081);
while(true) {
Socket socket=server.accept();
System.out.println("accept port:"+socket.getPort());
BufferedReader in=new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
String inData=null;
try {
while ((inData = in.readLine()) != null) {
System.out.println("client port:"+socket.getPort());
System.out.println("input data:"+inData);
if("close".equals(inData)) {
socket.close();
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
try {
socket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
我们准备用两个客户端同时发起连接请求、来模拟单线程阻塞模式的现象。同时发起连接,通过服务端日志,我们发现此时服务端只接受了其中一个连接,主线程被阻塞在上一个连接的read方法上。
我们尝试关闭第一个连接,看第二个连接的情况,我们希望看到的现象是,主线程返回,新的客户端连接被接受。
从日志中发现,在第一个连接被关闭后,第二个连接的请求被处理了,也就是说第二个连接请求在排队,直到主线程被唤醒,才能接收下一个请求,符合我们的预期。
此时不仅要问,为什么呢?
主要原因在于accept、read、write三个函数都是阻塞的,主线程在系统调用的时候,线程是被阻塞的,其他客户端的连接无法被响应。
通过以上流程,我们很容易发现这个过程的缺陷,服务器每次只能处理一个连接请求,CPU没有得到充分利用,性能比较低。如何充分利用CPU的多核特性呢?自然而然的想到了——多线程逻辑。
2.1.2 多线程阻塞
对工程师而言,代码解释一切,直接上代码。
BIO多线程
package net.io.bio;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
public class BioTest {
public static void main(String[] args) throws IOException {
final ServerSocket server=new ServerSocket(8081);
while(true) {
new Thread(new Runnable() {
public void run() {
Socket socket=null;
try {
socket = server.accept();
System.out.println("accept port:"+socket.getPort());
BufferedReader in=new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
String inData=null;
while ((inData = in.readLine()) != null) {
System.out.println("client port:"+socket.getPort());
System.out.println("input data:"+inData);
if("close".equals(inData)) {
socket.close();
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
}
}
}).start();
}
}
}
同样,我们并行发起两个请求;
两个请求,都被接受,服务端新增两个线程来处理客户端的连接和后续请求。
我们用多线程解决了,服务器同时只能处理一个请求的问题,但同时又带来了一个问题,如果客户端连接比较多时,服务端会创建大量的线程来处理请求,但线程本身是比较耗资源的,创建、上下文切换都比较耗资源,又如何去解决呢?
2.2 非阻塞
如果我们把所有的Socket(文件句柄,后续用Socket来代替fd的概念,尽量减少概念,减轻阅读负担)都放到队列里,只用一个线程来轮训所有的Socket的状态,如果准备好了就把它拿出来,是不是就减少了服务端的线程数呢?
一起看下代码,单纯非阻塞模式,我们基本上不用,为了演示逻辑,我们模拟了相关代码如下;
package net.io.bio;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketTimeoutException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import org.apache.commons.collections4.CollectionUtils;
public class NioTest {
public static void main(String[] args) throws IOException {
final ServerSocket server=new ServerSocket(8082);
server.setSoTimeout(1000);
List<Socket> sockets=new ArrayList<Socket>();
while (true) {
Socket socket = null;
try {
socket = server.accept();
socket.setSoTimeout(500);
sockets.add(socket);
System.out.println("accept client port:"+socket.getPort());
} catch (SocketTimeoutException e) {
System.out.println("accept timeout");
}
//模拟非阻塞:轮询已连接的socket,每个socket等待10MS,有数据就处理,无数据就返回,继续轮询
if(CollectionUtils.isNotEmpty(sockets)) {
for(Socket socketTemp:sockets ) {
try {
BufferedReader in=new BufferedReader(new InputStreamReader(socketTemp.getInputStream()));
String inData=null;
while ((inData = in.readLine()) != null) {
System.out.println("input data client port:"+socketTemp.getPort());
System.out.println("input data client port:"+socketTemp.getPort() +"data:"+inData);
if("close".equals(inData)) {
socketTemp.close();
}
}
} catch (SocketTimeoutException e) {
System.out.println("input client loop"+socketTemp.getPort());
}
}
}
}
}
}
系统初始化,等待连接;
发起两个客户端连接,线程开始轮询两个连接中是否有数据。
两个连接分别输入数据后,轮询线程发现有数据准备好了,开始相关的逻辑处理(单线程、多线程都可)。
再用一张流程图辅助解释下(系统实际采用文件句柄,此时用Socket来代替,方便大家理解)。
服务端专门有一个线程来负责轮询所有的Socket,来确认操作系统是否完成了相关事件,如果有则返回处理,如果无继续轮询,大家一起来思考下?此时又带来了什么问题呢。
CPU的空转、系统调用(每次轮询到涉及到一次系统调用,通过内核命令来确认数据是否准备好),造成资源的浪费,那有没有一种机制,来解决这个问题呢?
2.3 IO多路复用
服务端没有专门的线程来做轮询操作(应用程序端非内核),而是由事件来触发,当有相关读、写、连接事件到来时,主动唤起服务端线程来进行相关逻辑处理。模拟了相关代码如下;
IO多路复用
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
public class NioServer {
private static Charset charset = Charset.forName("UTF-8");
public static void main(String[] args) {
try {
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel chanel = ServerSocketChannel.open();
chanel.bind(new InetSocketAddress(8083));
chanel.configureBlocking(false);
chanel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true){
int select = selector.select();
if(select == 0){
System.out.println("select loop");
continue;
}
System.out.println("os data ok");
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()){
SelectionKey selectionKey = iterator.next();
if(selectionKey.isAcceptable()){
ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel)selectionKey.channel();
SocketChannel client = server.accept();
client.configureBlocking(false);
client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
//继续可以接收连接事件
selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
}else if(selectionKey.isReadable()){
//得到SocketChannel
SocketChannel client = (SocketChannel)selectionKey.channel();
//定义缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
StringBuilder content = new StringBuilder();
while (client.read(buffer) > 0){
buffer.flip();
content.append(charset.decode(buffer));
}
System.out.println("client port:"+client.getRemoteAddress().toString()+",input data: "+content.toString());
//清空缓冲区
buffer.clear();
}
iterator.remove();
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
同时创建两个连接;
两个连接无阻塞的被创建;
无阻塞的接收读写;
再用一张流程图辅助解释下(系统实际采用文件句柄,此时用Socket来代替,方便大家理解)。
当然操作系统的多路复用有好几种实现方式,我们经常使用的select(),epoll模式这里不做过多的解释,有兴趣的可以查看相关文档,IO的发展后面还有异步、事件等模式,我们在这里不过多的赘述,我们更多的是为了解释Redis线程模式的发展。
三、NIO线程模型解释
我们一起来聊了阻塞、非阻塞、IO多路复用模式,那Redis采用的是哪种呢?
Redis采用的是IO多路复用模式,所以我们重点来了解下多路复用这种模式,如何在更好的落地到我们系统中,不可避免的我们要聊下Reactor模式。
首先我们做下相关的名词解释;
3.1 单Reactor单线程模型
处理流程
优点
缺点
怎么去解决上述问题呢?既然业务处理逻辑可能会影响系统瓶颈,那我们是不是可以把业务处理逻辑单拎出来,交给线程池来处理,一方面减小对主线程的影响,另一方面利用CPU多核的优势。这一点希望大家要理解透彻,方便我们后续理解Redis由单线程模型到多线程模型的设计的思路。
3.2 单Reactor多线程模型
这种模型相对单Reactor单线程模型,只是将业务逻辑的处理逻辑交给了一个线程池来处理。
处理流程
优点
缺点
有没有什么好的办法来解决上述问题呢?通过以上的分析,大家有没有发现一个现象,当某一个点成为系统瓶颈点时,想办法把他拿出来,交个其他线程来处理,那这种场景是否适用呢?
3.3 多Reactor多线程模型
这种模型相对单Reactor多线程模型,只是将Scoket的读写处理从mainReactor中拎出来,交给subReactor线程来处理。
处理流程
优点
缺点
四、Redis的线程模型
4.1 概述
以上我们聊了,IO网路模型的发展历史,也聊了IO多路复用的reactor模式。那Redis采用的是哪种reactor模式呢?在回答这个问题前,我们先梳理几个概念性的问题。
Redis服务器中有两类事件,文件事件和时间事件。
本文重点聊下Socket相关的事件。
4.2 模型图
首先我们来看下Redis服务的线程模型图;
IO多路复用负责各事件的监听(连接、读、写等),当有事件发生时,将对应事件放入队列中,由事件分发器根据事件类型来进行分发;
如果是连接事件,则分发至连接应答处理器;GET、SET等redis命令分发至命令请求处理器。
命令处理完后产生命令回复事件,再由事件队列,到事件分发器,到命令回复处理器,回复客户端响应。
4.3 一次客户端和服务端的交互流程
4.3.1 连接流程
连接过程
4.3.2 命令执行流程
SET命令执行过程
4.4 模型优缺点
以上流程分析我们可以看出Redis采用的是单线程Reactor模型,我们也分析了这种模式的优缺点,那Redis为什么还要采用这种模式呢?
Redis本身的特性
优点
缺点
Redis又是如何去解的呢?
哈哈~将耗时的点从主线程拎出来呗?那Redis的新版本是这么做的吗?我们一起来看下。
4.5 Redis多线程模式
Redis的多线程模型跟”多Reactor多线程模型“、“单Reactor多线程模型有点区别”,但同时用了两种Reactor模型的思想,具体如下;
命令执行大致流程
五、总结
了解一个组件,更多的是要去了解他的设计思路,要去思考为什么要这么设计,做这种技术选型的背景是啥,对后续做系统架构设计有什么参考意义等等。一通百通,希望对大家有参考意义。
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