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Redis多线程演进

Redis作为一个基于内存的缓存系统,一直以高性能著称,因没有上下文切换以及无锁操作,即使在单线程处理情况下,读速度仍可达到11万次/s,写速度达到8.1万次/s。但是,单线程的设计也给Redis带来一些问题:

  • 只能使用CPU一个核;
  • 如果删除的键过大(比如Set类型中有上百万个对象),会导致服务端阻塞好几秒;
  • QPS难再提高。

针对上面问题,Redis在4.0版本以及6.0版本分别引入了Lazy Free以及多线程IO,逐步向多线程过渡,下面将会做详细介绍。

单线程原理

都说Redis是单线程的,那么单线程是如何体现的?如何支持客户端并发请求的?为了搞清这些问题,首先来了解下Redis是如何工作的。

Redis服务器是一个事件驱动程序,服务器需要处理以下两类事件:

  • 文件事件:Redis服务器通过套接字与客户端(或者其他Redis服务器)进行连接,而文件事件就是服务器对套接字操作的抽象;服务器与客户端的通信会产生相应的文件事件,而服务器则通过监听并处理这些事件来完成一系列网络通信操作,比如连接acceptreadwriteclose等;
  • 时间事件:Redis服务器中的一些操作(比如serverCron函数)需要在给定的时间点执行,而时间事件就是服务器对这类定时操作的抽象,比如过期键清理,服务状态统计等。

事件调度http://note.youdao.com/yws/res/69489/642EDA3CC49142B1BF1ABD5FDEC89C44

如上图,Redis将文件事件和时间事件进行抽象,时间轮训器会监听I/O事件表,一旦有文件事件就绪,Redis就会优先处理文件事件,接着处理时间事件。在上述所有事件处理上,Redis都是以单线程形式处理,所以说Redis是单线程的。此外,如下图,Redis基于Reactor模式开发了自己的I/O事件处理器,也就是文件事件处理器,Redis在I/O事件处理上,采用了I/O多路复用技术,同时监听多个套接字,并为套接字关联不同的事件处理函数,通过一个线程实现了多客户端并发处理。

多路复用件http://note.youdao.com/yws/res/69485/3BF073D64B054C87AC203040FBAD246F

正因为这样的设计,在数据处理上避免了加锁操作,既使得实现上足够简洁,也保证了其高性能。当然,Redis单线程只是指其在事件处理上,实际上,Redis也并不是单线程的,比如生成RDB文件,就会fork一个子进程来实现,当然,这不是本文要讨论的内容。

Lazy Free机制

如上所知,Redis在处理客户端命令时是以单线程形式运行,而且处理速度很快,期间不会响应其他客户端请求,但若客户端向Redis发送一条耗时较长的命令,比如删除一个含有上百万对象的Set键,或者执行flushdb,flushall操作,Redis服务器需要回收大量的内存空间,导致服务器卡住好几秒,对负载较高的缓存系统而言将会是个灾难。为了解决这个问题,在Redis 4.0版本引入了Lazy Free,将慢操作异步化,这也是在事件处理上向多线程迈进了一步。

如作者在其博客中所述,要解决慢操作,可以采用渐进式处理,即增加一个时间事件,比如在删除一个具有上百万个对象的Set键时,每次只删除大键中的一部分数据,最终实现大键的删除。但是,该方案可能会导致回收速度赶不上创建速度,最终导致内存耗尽。因此,Redis最终实现上是将大键的删除操作异步化,采用非阻塞删除(对应命令UNLINK),大键的空间回收交由单独线程实现,主线程只做关系解除,可以快速返回,继续处理其他事件,避免服务器长时间阻塞。

以删除(DEL命令)为例,看看Redis是如何实现的,下面就是删除函数的入口,其中,lazyfree_lazy_user_del是是否修改DEL命令的默认行为,一旦开启,执行DEL时将会以UNLINK形式执行。

void delCommand(client *c) {
    delGenericCommand(c,server.lazyfree_lazy_user_del);
}

/* This command implements DEL and LAZYDEL. */
void delGenericCommand(client *c, int lazy) {
    int numdel = 0, j;

    for (j = 1; j < c->argc; j++) {
        expireIfNeeded(c->db,c->argv[j]);
        // 根据配置确定DEL在执行时是否以lazy形式执行
        int deleted  = lazy ? dbAsyncDelete(c->db,c->argv[j]) :
                              dbSyncDelete(c->db,c->argv[j]);
        if (deleted) {
            signalModifiedKey(c,c->db,c->argv[j]);
            notifyKeyspaceEvent(NOTIFY_GENERIC,
                "del",c->argv[j],c->db->id);
            server.dirty++;
            numdel++;
        }
    }
    addReplyLongLong(c,numdel);
}
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同步删除很简单,只要把key和value删除,如果有内层引用,则进行递归删除,这里不做介绍。下面看下异步删除,Redis在回收对象时,会先计算回收收益,只有回收收益在超过一定值时,采用封装成Job加入到异步处理队列中,否则直接同步回收,这样效率更高。回收收益计算也很简单,比如String类型,回收收益值就是1,而Set类型,回收收益就是集合中元素个数。

/* Delete a key, value, and associated expiration entry if any, from the DB.
 * If there are enough allocations to free the value object may be put into
 * a lazy free list instead of being freed synchronously. The lazy free list
 * will be reclaimed in a different bio.c thread. */
#define LAZYFREE_THRESHOLD 64
int dbAsyncDelete(redisDb *db, robj *key) {
    /* Deleting an entry from the expires dict will not free the sds of
     * the key, because it is shared with the main dictionary. */
    if (dictSize(db->expires) > 0) dictDelete(db->expires,key->ptr);

    /* If the value is composed of a few allocations, to free in a lazy way
     * is actually just slower... So under a certain limit we just free
     * the object synchronously. */
    dictEntry *de = dictUnlink(db->dict,key->ptr);
    if (de) {
        robj *val = dictGetVal(de);
        // 计算value的回收收益
        size_t free_effort = lazyfreeGetFreeEffort(val);

        /* If releasing the object is too much work, do it in the background
         * by adding the object to the lazy free list.
         * Note that if the object is shared, to reclaim it now it is not
         * possible. This rarely happens, however sometimes the implementation
         * of parts of the Redis core may call incrRefCount() to protect
         * objects, and then call dbDelete(). In this case we'll fall
         * through and reach the dictFreeUnlinkedEntry() call, that will be
         * equivalent to just calling decrRefCount(). */
        // 只有回收收益超过一定值,才会执行异步删除,否则还是会退化到同步删除
        if (free_effort > LAZYFREE_THRESHOLD && val->refcount == 1) {
            atomicIncr(lazyfree_objects,1);
            bioCreateBackgroundJob(BIO_LAZY_FREE,val,NULL,NULL);
            dictSetVal(db->dict,de,NULL);
        }
    }

    /* Release the key-val pair, or just the key if we set the val
     * field to NULL in order to lazy free it later. */
    if (de) {
        dictFreeUnlinkedEntry(db->dict,de);
        if (server.cluster_enabled) slotToKeyDel(key->ptr);
        return 1;
    } else {
        return 0;
    }
}
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通过引入a threaded lazy free,Redis实现了对于Slow OperationLazy操作,避免了在大键删除,FLUSHALLFLUSHDB时导致服务器阻塞。当然,在实现该功能时,不仅引入了lazy free线程,也对Redis聚合类型在存储结构上进行改进。因为Redis内部使用了很多共享对象,比如客户端输出缓存。当然,Redis并未使用加锁来避免线程冲突,锁竞争会导致性能下降,而是去掉了共享对象,直接采用数据拷贝,如下,在3.x和6.x中ZSet节点value的不同实现。

// 3.2.5版本ZSet节点实现,value定义robj *obj
/* ZSETs use a specialized version of Skiplists */
typedef struct zskiplistNode {
    robj *obj;
    double score;
    struct zskiplistNode *backward;
    struct zskiplistLevel {
        struct zskiplistNode *forward;
        unsigned int span;
    } level[];
} zskiplistNode;

// 6.0.10版本ZSet节点实现,value定义为sds ele
/* ZSETs use a specialized version of Skiplists */
typedef struct zskiplistNode {
    sds ele;
    double score;
    struct zskiplistNode *backward;
    struct zskiplistLevel {
        struct zskiplistNode *forward;
        unsigned long span;
    } level[];
} zskiplistNode;
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去掉共享对象,不但实现了lazy free功能,也为Redis向多线程跨进带来了可能,正如作者所述:

Now that values of aggregated data types are fully unshared, and client output buffers don’t contain shared objects as well, there is a lot to exploit. For example it is finally possible to implement threaded I/O in Redis, so that different clients are served by different threads. This means that we’ll have a global lock only when accessing the database, but the clients read/write syscalls and even the parsing of the command the client is sending, can happen in different threads.

多线程I/O及其局限性

Redis在4.0版本引入了Lazy Free,自此Redis有了一个Lazy Free线程专门用于大键的回收,同时,也去掉了聚合类型的共享对象,这为多线程带来可能,Redis也不负众望,在6.0版本实现了多线程I/O

实现原理

正如官方以前的回复,Redis的性能瓶颈并不在CPU上,而是在内存和网络上。因此6.0发布的多线程并未将事件处理改成多线程,而是在I/O上,此外,如果把事件处理改成多线程,不但会导致锁竞争,而且会有频繁的上下文切换,即使用分段锁来减少竞争,对Redis内核也会有较大改动,性能也不一定有明显提升。

多线程IO实现http://note.youdao.com/yws/res/69692/AD32F3FA6C794ADDA62849413DB172E0

如上图红色部分,就是Redis实现的多线程部分,利用多核来分担I/O读写负荷。在事件处理线程每次获取到可读事件时,会将所有就绪的读事件分配给I/O线程,并进行等待,在所有I/O线程完成读操作后,事件处理线程开始执行任务处理,在处理结束后,同样将写事件分配给I/O线程,等待所有I/O线程完成写操作。

以读事件处理为例,看下事件处理线程任务分配流程:

int handleClientsWithPendingReadsUsingThreads(void) {
    ...

    /* Distribute the clients across N different lists. */
    listIter li;
    listNode *ln;
    listRewind(server.clients_pending_read,&li);
    int item_id = 0;
    // 将等待处理的客户端分配给I/O线程
    while((ln = listNext(&li))) {
        client *c = listNodeValue(ln);
        int target_id = item_id % server.io_threads_num;
        listAddNodeTail(io_threads_list[target_id],c);
        item_id++;
    }
    
    ...

    /* Wait for all the other threads to end their work. */
    // 轮训等待所有I/O线程处理完
    while(1) {
        unsigned long pending = 0;
        for (int j = 1; j < server.io_threads_num; j++)
            pending += io_threads_pending[j];
        if (pending == 0) break;
    }

    ...

    return processed;
}
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I/O线程处理流程:

void *IOThreadMain(void *myid) {
    ...

    while(1) {
        ...

        // I/O线程执行读写操作
        while((ln = listNext(&li))) {
            client *c = listNodeValue(ln);
            // io_threads_op判断是读还是写事件
            if (io_threads_op == IO_THREADS_OP_WRITE) {
                writeToClient(c,0);
            } else if (io_threads_op == IO_THREADS_OP_READ) {
                readQueryFromClient(c->conn);
            } else {
                serverPanic("io_threads_op value is unknown");
            }
        }
        listEmpty(io_threads_list[id]);
        io_threads_pending[id] = 0;

        if (tio_debug) printf("[%ld] Done\n", id);
    }
}
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局限性

从上面实现上看,6.0版本的多线程并非彻底的多线程,I/O线程只能同时执行读或者同时执行写操作,期间事件处理线程一直处于等待状态,并非流水线模型,有很多轮训等待开销。

Tair多线程实现原理

相较于6.0版本的多线程,Tair的多线程实现更加优雅。如下图,Tair的Main Thread负责客户端连接建立等,IO Thread负责请求读取、响应发送、命令解析等,Worker Thread线程专门用于事件处理。IO Thread读取用户的请求并进行解析,之后将解析结果以命令的形式放在队列中发送给Worker Thread处理。Worker Thread将命令处理完成后生成响应,通过另一条队列发送给IO Thread。为了提高线程的并行度,IO ThreadWorker Thread之间采用无锁队列管道进行数据交换,整体性能会更好。 Tair多线程实现http://note.youdao.com/yws/res/69698/A1936D930F2845008AF77FE43013303C

小结

Redis 4.0引入Lazy Free线程,解决了诸如大键删除导致服务器阻塞问题,在6.0版本引入了I/O Thread线程,正式实现了多线程,但相较于Tair,并不太优雅,而且性能提升上并不多,压测看,多线程版本性能是单线程版本的2倍,Tair多线程版本则是单线程版本的3倍。在作者看来,Redis多线程无非两种思路,I/O threadingSlow commands threading,正如作者在其博客中所说:

I/O threading is not going to happen in Redis AFAIK, because after much consideration I think it’s a lot of complexity without a good reason. Many Redis setups are network or memory bound actually. Additionally I really believe in a share-nothing setup, so the way I want to scale Redis is by improving the support for multiple Redis instances to be executed in the same host, especially via Redis Cluster.

What instead I really want a lot is slow operations threading, and with the Redis modules system we already are in the right direction. However in the future (not sure if in Redis 6 or 7) we’ll get key-level locking in the module system so that threads can completely acquire control of a key to process slow operations. Now modules can implement commands and can create a reply for the client in a completely separated way, but still to access the shared data set a global lock is needed: this will go away.

Redis作者更倾向于采用集群方式来解决I/O threading,尤其是在6.0版本发布的原生Redis Cluster Proxy背景下,使得集群更加易用。此外,作者更倾向于slow operations threading(比如4.0版本发布的Lazy Free)来解决多线程问题。后续版本,是否会将IO Thread实现的更加完善,采用Module实现对慢操作的优化,着实值得期待。

参考资料

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