Redis单线程实现高并发原理

基于内存的操作：Redis把所有数据存储在内存中，内存的读写速度相比磁盘快几个数量级，几乎可以忽略不计的延迟确保了Redis在处理大量并发请求时能立即响应。
I/O多路复用技术：Redis使用I/O多路复用技术（如Linux中的epoll、kqueue或select/poll等），允许单线程监控多个文件描述符（FD，即客户端连接）的状态变化。
- 主线程无需为每个连接创建独立的线程，而是顺序处理所有连接上的待处理事件，极大地减少了上下文切换的成本。
- 当有新的客户端连接请求或已有连接上有数据可读写时，I/O多路复用函数会通知Redis主线程。
无锁设计：由于只有一个线程处理所有请求，Redis在设计时无需考虑线程间的同步问题，因此不需要进行复杂的锁操作，消除了因锁定和解锁带来的潜在性能损耗和死锁风险。
高效的内部数据结构：Redis使用了高度优化且适合内存操作的数据结构，如哈希表（HashMap）、跳表（SkipList）、整数集合（IntSet）等，这些数据结构通常具有O(1)或接近O(1)的时间复杂度，保证了在高并发环境下也能快速处理数据查询和更新操作。
非阻塞I/O操作：在等待网络数据传输的过程中，Redis主线程并不会被阻塞，而是继续处理其他客户端的请求，充分利用了CPU资源。

具体设计实现：

I/O多路复用技术： Redis 通过使用操作系统提供的 I/O 多路复用机制，如 Linux 中的 epoll、BSD 系统的 kqueue，或者是旧版本中使用的 select 和 poll 等 API，可以在单一线程中同时监控多个客户端 socket 的读写事件。
事件循环： Redis 创建一个事件循环（Event Loop），在这个循环中注册所有的客户端连接。当有新的客户端连接进来时，Redis 会为其分配一个新的 socket，并将其加入到 I/O 多路复用器的监控队列中。
非阻塞模式： Redis 设置客户端 socket 为非阻塞模式。这意味着当尝试读取或写入socket时，如果没有数据可读或写入空间不足，不会像阻塞模式那样导致线程挂起等待，而是立即返回一个错误提示（通常是EWOULDBLOCK或EAGAIN）。
事件触发：当某个 socket 上发生读写事件时（例如，有新数据到达或写入缓存区有足够空间），I/O多路复用器会通知 Redis 主线程。此时，Redis 主线程会从事件循环中取出已准备好的事件进行处理。
处理客户端请求： Redis 主线程开始处理事件，即读取客户端发来的命令请求。在非阻塞读操作中，Redis 只有在有数据可读时才会真正读取数据，然后解码命令，执行相应的命令操作，最后将结果写回给客户端。整个过程中，主线程没有因为等待I/O操作完成而阻塞，而是持续不断地处理下一个准备好的事件。

例如：

客户端A、B、C同时与Redis服务器建立了连接。
Redis服务器主线程将这三个连接的socket添加到epoll监控集合中，并设置为非阻塞模式。
当客户端A发送了一个命令请求，数据到达Redis服务器的socket缓冲区时，epoll_wait函数会返回并告诉Redis主线程：“客户端A的socket有数据可读”。
Redis主线程立刻处理这个事件，从A的socket中读取命令数据，执行相应操作（如GET或SET），然后将响应数据写回到客户端A的socket，而这一切都不会影响主线程同时监视客户端B和C的socket是否有新的事件发生。
结合以上几点，Redis单线程模型能够在处理并发请求时，通过减少上下文切换、规避锁竞争、利用内存高速存取以及高效的数据结构设计，实现较高的并发能力。对于大部分读写密集型场景，Redis单线程架构能够有效应对，并展现出令人满意的性能表现。不过，在一些极端场景下，比如涉及到大量计算的任务或者大量阻塞式操作时，单线程架构可能会成为性能瓶颈，但Redis通过精简设计和针对性优化，依然在多数实际应用中表现出良好的并发性能。