一、背景
使用过Redis的同学肯定都了解过一个说法，说Redis是单线程模型，那么实际情况是怎样的呢？
其实，我们常说Redis是单线程模型，是指Redis采用单线程的事件驱动模型，只有并且只会在一个主线程中执行Redis命令操作，这意味着它在处理请求时不使用复杂的上下文切换或锁机制。尽管只是单线程的架构，但Redis通过非阻塞的I/O操作和高效的事件循环来处理大量的并发连接，性能仍然非常高。
然而在Redis4.0开始也引入了一些后台线程执行异步淘汰、异步删除过期key、异步执行大key删除等任务，然后，在Redis6.0中引入了多线程IO特性，将Redis单节点访问请求从10W提升到20W。
而在去年Valkey社区发布的Valkey8.0版本，在I/O线程系统上进行了重大升级，特别是异步I/O线程的引入，使主线程和I/O线程能够并行工作，可实现最大化服务吞吐量并减少瓶颈，使得Valkey单节点访问请求可以提升到100W。
那么在Redis6.0和Valkey8.0中多线程IO是怎么回事呢？是否改变了Redis原有单线程模型？
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2024年，Redis商业支持公司Redis Labs宣布Redis核心代码的许可证从BSD变更为RSALv2，明确禁止云厂商提供Redis托管服务，这一决定直接导致社区分裂。
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为维护开源自由，Linux基金会联合多家科技公司（包括AWS、Google、Cloud、Oracle等）宣布支持Valkey，作为Redis的替代分支。
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Valkey8.0系Valkey社区发布的首个主要大版本。
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最新消息，在Redis项目创始人antirez今年加入Redis商业公司5个月后，Redis宣传从Redis8开始，Redis项目重新开源。
本篇文章主要介绍Redis6.0多线程IO特性。
二、Redis6.0 多线程 IO 概述
Redis6.0引入多线程IO，但多线程部分只是用来处理网络数据的读写和协议解析，执行命令仍然是单线程。默认是不开启的，需要进程启动前开启配置，并且在运行期间无法通过 config set 命令动态修改。
参数与配置
多线程IO涉及下面两个配置参数：
# io-threads 4 IO 线程数量
# io-threads-do-reads no 读数据及数据解析是否也用 IO 线程
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io-threads 表示IO线程数量， io-threads 设置为1时（代码中默认值），表示只使用主线程，不开启多线程IO。因此，若要配置开启多线程IO，需要设置 io-threads 大于1，但不可以超过最大值128。
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但在默认情况下，Redis只将多线程IO用于向客户端写数据，因为作者认为通常使用多线程执行读数据的操作帮助不是很大。如果需要使用多线程用于读数据和解析数据，则需要将参数 io-threads-do-reads 设置为 yes 。
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此两项配置参数在Redis运行期间无法通过 config set 命令修改，并且开启SSL时，不支持多线程IO特性。
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若机器CPU将至少超过4核时，则建议开启，并且至少保留一个备用CPU核，使用超过8个线程可能并不会有多少帮助。
执行流程概述
Redis6.0引入多线程IO后，读写数据执行流程如下所示：
流程简述
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主线程负责接收建立连接请求，获取socket放入全局等待读处理队列。
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主线程处理完读事件之后，通过RR（Round Robin）将这些连接分配给这些IO线程，也会分配给主线程自己。
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主线程先读取分配给自己的客户端数据，然后阻塞等待其他IO线程读取socket完毕。
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IO线程将请求数据读取并解析完成（这里只是读数据和解析、并不执行）。
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主线程通过单线程的方式执行请求命令。
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主线程通过RR（Round Robin）将回写客户端事件分配给这些IO线程，也会分配给主线程自己。
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主线程同样执行部分写数据到客户端，然后阻塞等待IO线程将数据回写socket完毕。
设计特点
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IO线程要么同时在读socket，要么同时在写，不会同时读和写。
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IO线程只负责读写socket解析命令，不负责命令执行。
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主线程也会参与数据的读写。
三、源码分析
多线程IO相关源代码都在源文件networking.c中最下面。
初始化
主线程在main函数中调用InitServerLast函数，InitServerLast函数中调用initThreadedIO函数，在initThreadedIO函数中根据配置文件中的线程数量，创建对应数量的IO工作线程数量。
/* Initialize the data structures needed for threaded I/O. */
void initThreadedIO(void) {
io_threads_active = 0; /* We start with threads not active. */
/* Don't spawn any thread if the user selected a single thread:
* we'll handle I/O directly from the main thread. */
if (server.io_threads_num == 1) return;
if (server.io_threads_num > IO_THREADS_MAX_NUM) {
serverLog(LL_WARNING,"Fatal: too many I/O threads configured. "
"The maximum number is %d.", IO_THREADS_MAX_NUM);
exit(1);
}
/* Spawn and initialize the I/O threads. */
for (int i = 0; i < server.io_threads_num; i++) {
/* Things we do for all the threads including the main thread. */
io_threads_list[i] = listCreate();
if (i == 0) continue; /* Thread 0 is the main thread. */
/* Things we do only for the additional threads. */
pthread_t tid;
pthread_mutex_init(&io_threads_mutex[i],NULL);
io_threads_pending[i] = 0;
pthread_mutex_lock(&io_threads_mutex[i]); /* Thread will be stopped. */
if (pthread_create(&tid,NULL,IOThreadMain,(void*)(long)i) != 0) {
serverLog(LL_WARNING,"Fatal: Can't initialize IO thread.");
exit(1);
}
io_threads[i] = tid;
}
}
初始化流程
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为包括主线程在内的每个线程分配list列表，用于后续保存待处理的客户端。
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为主线程以外的其他IO线程初始化互斥对象mutex，但是立即调用pthread_mutex_lock占有互斥量，将io_threads_pending[i]设置为0，接着创建对应的IO工作线程。
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占用互斥量是为了创建IO工作线程后，可暂时等待后续启动IO线程的工作，因为IOThreadMain函数在io_threads_pending[id] == 0时也调用了获取mutex，所以此时无法继续向下运行，等待启动。
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在startThreadedIO函数中会释放mutex来启动IO线程工作。何时调用startThreadedIO打开多线程IO，具体见下文的「多线程IO动态暂停与开启」。
IO 线程主函数
IO线程主函数代码如下所示：
void *IOThreadMain(void *myid) {
/* The ID is the thread number (from 0 to server.iothreads_num-1), and is
* used by the thread to just manipulate a single sub-array of clients. */
long id = (unsigned long)myid;
char thdname[16];
snprintf(thdname, sizeof(thdname), "io_thd_%ld", id);
redis_set_thread_title(thdname);
redisSetCpuAffinity(server.server_cpulist);
while(1) {
/* Wait for start */
for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
if (io_threads_pending[id] != 0) break;
}
/* Give the main thread a chance to stop this thread. */
if (io_threads_pending[id] == 0) {
pthread_mutex_lock(&io_threads_mutex[id]);
pthread_mutex_unlock(&io_threads_mutex[id]);
continue;
}
serverAssert(io_threads_pending[id] != 0);
if (tio_debug) printf("[%ld] %d to handle\n", id, (int)listLength(io_threads_list[id]));
/* Process: note that the main thread will never touch our list
* before we drop the pending count to 0. */
listIter li;
listNode *ln;
listRewind(io_threads_list[id],&li);
while((ln = listNext(&li))) {
client *c = listNodeValue(ln);
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);
}
}
从IO线程主函数逻辑可以看到：
-
如果IO线程等待处理任务数量为0，则IO线程一直在空循环，因此后面主线程给IO线程分发任务后，需要设置IO线程待处理任务数 io_threads_pending[id] ，才会触发IO线程工作。
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如果IO线程等待处理任务数量为0，并且未获取到mutex锁，则会等待获取锁，暂停运行，由于主线程在创建IO线程之前先获取了锁，因此IO线程刚启动时是暂停运行状态，需要等待主线程释放锁，启动IO线程。
-
IO线程待处理任务数为0时，获取到锁并再次释放锁，是为了让主线程可以暂停IO线程。
-
只有io_threads_pending[id]不为0时，则继续向下执行操作，根据io_threads_op决定是读客户端还是写客户端，从这里也可以看出IO线程要么同时读，要么同时写。
读数据流程
主线程将待读数据客户端加入队列
当客户端连接有读事件时，会触发调用readQueryFromClient函数，在该函数中会调用postponeClientRead。
void readQueryFromClient(connection *conn) {
client *c = connGetPrivateData(conn);
int nread, readlen;
size_t qblen;
/* Check if we want to read from the client later when exiting from
* the event loop. This is the case if threaded I/O is enabled. */
if (postponeClientRead(c)) return;
......以下省略
}
/* Return 1 if we want to handle the client read later using threaded I/O.
* This is called by the readable handler of the event loop.
* As a side effect of calling this function the client is put in the
* pending read clients and flagged as such. */
int postponeClientRead(client *c) {
if (io_threads_active &&
server.io_threads_do_reads &&
!ProcessingEventsWhileBlocked &&
!(c->flags & (CLIENT_MASTER|CLIENT_SLAVE|CLIENT_PENDING_READ)))
{
c->flags |= CLIENT_PENDING_READ;
listAddNodeHead(server.clients_pending_read,c);
return 1;
} else {
return 0;
}
}
如果开启多线程，并且开启多线程读（io_threads_do_reads 为 yes），则将客户端标记为CLIENT_PENDING_READ，并且加入clients_pending_read列表。
然后readQueryFromClient函数中就立即返回，主线程没有执行从客户端连接中读取的数据相关逻辑，读取了客户端数据行为等待后续各个IO线程执行。
主线程分发并阻塞等待
主线程在beforeSleep函数中会调用handleClientsWithPendingReadsUsingThreads函数。
/* When threaded I/O is also enabled for the reading + parsing side, the
* readable handler will just put normal clients into a queue of clients to
* process (instead of serving them synchronously). This function runs
* the queue using the I/O threads, and process them in order to accumulate
* the reads in the buffers, and also parse the first command available
* rendering it in the client structures. */
int handleClientsWithPendingReadsUsingThreads(void) {
if (!io_threads_active || !server.io_threads_do_reads) return 0;
int processed = listLength(server.clients_pending_read);
if (processed == 0) return 0;
if (tio_debug) printf("%d TOTAL READ pending clients\n", processed);
/* Distribute the clients across N different lists. */
listIter li;
listNode *ln;
listRewind(server.clients_pending_read,&li);
int item_id = 0;
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++;
}
/* Give the start condition to the waiting threads, by setting the
* start condition atomic var. */
io_threads_op = IO_THREADS_OP_READ;
for (int j = 1; j < server.io_threads_num; j++) {
int count = listLength(io_threads_list[j]);
io_threads_pending[j] = count;
}
/* Also use the main thread to process a slice of clients. */
listRewind(io_threads_list[0],&li);
while((ln = listNext(&li))) {
client *c = listNodeValue(ln);
readQueryFromClient(c->conn);
}
listEmpty(io_threads_list[0]);
/* Wait for all the other threads to end their work. */
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;
}
if (tio_debug) printf("I/O READ All threads finshed\n");
/* Run the list of clients again to process the new buffers. */
while(listLength(server.clients_pending_read)) {
ln = listFirst(server.clients_pending_read);
client *c = listNodeValue(ln);
c->flags &= ~CLIENT_PENDING_READ;
listDelNode(server.clients_pending_read,ln);
if (c->flags & CLIENT_PENDING_COMMAND) {
c->flags &= ~CLIENT_PENDING_COMMAND;
if (processCommandAndResetClient(c) == C_ERR) {
/* If the client is no longer valid, we avoid
* processing the client later. So we just go
* to the next. */
continue;
}
}
processInputBuffer(c);
}
return processed;
}
-
先检查是否开启多线程，以及是否开启多线程读数据（io_threads_do_reads），未开启直接返回。
-
检查队列clients_pending_read长度，为0直接返回，说明没有待读事件。
-
遍历clients_pending_read队列，通过RR算法，将队列中的客户端循环分配给各个IO线程，包括主线程本身。
-
设置io_threads_op = IO_THREADS_OP_READ，并且将io_threads_pending数组中各个位置值设置为对应各个IO线程分配到的客户端数量，如上面介绍，目的是为了使IO线程工作。
-
主线程开始读取客户端数据，因为主线程也分配了任务。
-
主线程阻塞等待，直到所有的IO线程都完成读数据工作。
-
主线程执行命令。
IO 线程读数据
在IO线程主函数中，如果 io_threads_op == IO_THREADS_OP_READ ，则调用readQueryFromClient从网络中读取数据。
IO 线程读取数据后，不会执行命令。
在readQueryFromClient函数中，最后会执行processInputBuffer函数，在processInputBuffe函数中，如IO线程检查到客户端设置了CLIENT_PENDING_READ标志，则不执行命令，直接返回。
......省略
/* If we are in the context of an I/O thread, we can't really
* execute the command here. All we can do is to flag the client
* as one that needs to process the command. */
if (c->flags & CLIENT_PENDING_READ) {
c->flags |= CLIENT_PENDING_COMMAND;
break;
}
...... 省略
写数据流程
命令处理完成后，依次调用：
addReply-->prepareClientToWrite-->clientInstallWriteHandler，将待写客户端加入队列clients_pending_write。
void clientInstallWriteHandler(client *c) {
/* Schedule the client to write the output buffers to the socket only
* if not already done and, for slaves, if the slave can actually receive
* writes at this stage. */
if (!(c->flags & CLIENT_PENDING_WRITE) &&
(c->replstate == REPL_STATE_NONE ||
(c->replstate == SLAVE_STATE_ONLINE && !c->repl_put_online_on_ack)))
{
/* Here instead of installing the write handler, we just flag the
* client and put it into a list of clients that have something
* to write to the socket. This way before re-entering the event
* loop, we can try to directly write to the client sockets avoiding
* a system call. We'll only really install the write handler if
* we'll not be able to write the whole reply at once. */
c->flags |= CLIENT_PENDING_WRITE;
listAddNodeHead(server.clients_pending_write,c);
}
}
在beforeSleep函数中调用handleClientsWithPendingWritesUsingThreads。
int handleClientsWithPendingWritesUsingThreads(void) {
int processed = listLength(server.clients_pending_write);
if (processed == 0) return 0; /* Return ASAP if there are no clients. */
/* If I/O threads are disabled or we have few clients to serve, don't
* use I/O threads, but thejboring synchronous code. */
if (server.io_threads_num == 1 || stopThreadedIOIfNeeded()) {
return handleClientsWithPendingWrites();
}
/* Start threads if needed. */
if (!io_threads_active) startThreadedIO();
if (tio_debug) printf("%d TOTAL WRITE pending clients\n", processed);
/* Distribute the clients across N different lists. */
listIter li;
listNode *ln;
listRewind(server.clients_pending_write,&li);
int item_id = 0;
while((ln = listNext(&li))) {
client *c = listNodeValue(ln);
c->flags &= ~CLIENT_PENDING_WRITE;
int target_id = item_id % server.io_threads_num;
listAddNodeTail(io_threads_list[target_id],c);
item_id++;
}
/* Give the start condition to the waiting threads, by setting the
* start condition atomic var. */
io_threads_op = IO_THREADS_OP_WRITE;
for (int j = 1; j < server.io_threads_num; j++) {
int count = listLength(io_threads_list[j]);
io_threads_pending[j] = count;
}
/* Also use the main thread to process a slice of clients. */
listRewind(io_threads_list[0],&li);
while((ln = listNext(&li))) {
client *c = listNodeValue(ln);
writeToClient(c,0);
}
listEmpty(io_threads_list[0]);
/* Wait for all the other threads to end their work. */
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;
}
if (tio_debug) printf("I/O WRITE All threads finshed\n");
/* Run the list of clients again to install the write handler where
* needed. */
listRewind(server.clients_pending_write,&li);
while((ln = listNext(&li))) {
client *c = listNodeValue(ln);
/* Install the write handler if there are pending writes in some
* of the clients. */
if (clientHasPendingReplies(c) &&
connSetWriteHandler(c->conn, sendReplyToClient) == AE_ERR)
{
freeClientAsync(c);
}
}
listEmpty(server.clients_pending_write);
return processed;
}
-
判断clients_pending_write队列的长度，如果为0则直接返回。
-
判断是否开启了多线程，若只有很少的客户端需要写，则不使用多线程IO，直接在主线程完成写操作。
-
如果使用多线程IO来完成写数据，则需要判断是否先开启多线程IO（因为会动态开启与暂停）。
-
遍历clients_pending_write队列，通过RR算法，循环将所有客户端分配给各个IO线程，包括主线程自身。
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设置io_threads_op = IO_THREADS_OP_WRITE，并且将io_threads_pending数组中各个位置值设置为对应的各个IO线程分配到的客户端数量，目的是为了使IO线程工作。
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主线程开始写客户端数据，因为主线程也分配了任务，写完清空任务队列。
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阻塞等待，直到所有IO线程完成写数据工作。
-
再次遍历所有客户端，如果有需要，为客户端在事件循环上安装写句柄函数，等待事件回调。
多线程 IO 动态暂停与开启
从上面的写数据的流程中可以看到，在Redis运行过程中多线程IO是会动态暂停与开启的。
在上面的写数据流程中，先调用stopThreadedIOIfNeeded函数判断是否需要暂停多线程IO，当等待写的客户端数量低于线程数的2倍时，会暂停多线程IO，否则就会打开多线程。
int stopThreadedIOIfNeeded(void) {
int pending = listLength(server.clients_pending_write);
/* Return ASAP if IO threads are disabled (single threaded mode). */
if (server.io_threads_num == 1) return 1;
if (pending < (server.io_threads_num*2)) {
if (io_threads_active) stopThreadedIO();
return 1;
} else {
return 0;
}
}
在写数据流程handleClientsWithPendingWritesUsingThreads函数中，stopThreadedIOIfNeeded返回0的话，就会执行下面的startThreadedIO函数，开启多线程IO。
void startThreadedIO(void) {
serverAssert(server.io_threads_active == 0);
for (int j = 1; j < server.io_threads_num; j++)
pthread_mutex_unlock(&io_threads_mutex[j]);
server.io_threads_active = 1;
}
void stopThreadedIO(void) {
/* We may have still clients with pending reads when this function
* is called: handle them before stopping the threads. */
handleClientsWithPendingReadsUsingThreads();
serverAssert(server.io_threads_active == 1);
for (int j = 1; j < server.io_threads_num; j++)
pthread_mutex_lock(&io_threads_mutex[j]);
server.io_threads_active = 0;
}
从上面的代码中可以看出：
四、性能对比
测试环境
两台物理机配置：CentOS Linux release 7.3.1611(Core) ，12核CPU1.5GHz，256G内存（free 128G）。
Redis版本
使用Redis6.0.6，多线程IO模式使用线程数量为4，即 io-threads 4 ，参数 io-threads-do-reads 分别设置为 no 和 yes ，进行对比测试。
压测命令
redis-benchmark -h 172.xx.xx.xx -t set,get -n 1000000 -r 100000000 --threads ${threadsize} -d ${datasize} -c ${clientsize}
单线程 threadsize 为 1，多线程 threadsize 为 4
datasize为value 大小，分别设置为 128/512/1024
clientsize 为客户端数量，分别设置为 256/2000
如：./redis-benchmark -h 172.xx.xx.xx -t set,get -n 1000000 -r 100000000 --threads 4 -d 1024 -c 256
统计结果
当 io-threads-do-reads 为 no 时，统计图表如下所示（c 2000表示客户端数量为2000）。
![]()
当 io-threads-do-reads 为 yes 时，统计图表如下所示（c 256表示客户端数量为256）。
结论
使用redis-benchmark做Redis6单线程和多线程简单SET/GET命令性能测试：
-
从上面可以看到GET/SET命令在设置4个IO线程时，QPS相比于大部分情况下的单线程，性能几乎是翻倍了。
-
连接数越多，多线程优势越明显。
-
value值越小，多线程优势越明显。
-
使用多线程读命令比写命令优势更加明显，当value越大，写命令越发没有明显的优势。
-
参数 io-threads-do-reads 为yes，性能有微弱的优势，不是很明显。
-
总体来说，以上结果基本符合预期，结果仅作参考。
五、6.0 多线程 IO 不足
尽管引入多线程IO大幅提升了Redis性能，但是Redis6.0的多线程IO仍然存在一些不足：
最新的Valkey8.0版本中，通过引入异步IO线程，将更多的工作转移到IO线程执行，同时通过批量预读取内存数据减少内存访问延迟，大幅提高Valkey单节点访问QPS，单个实例每秒可处理100万个请求。我们后续再详细介绍Valkey8.0异步IO特性。
六、总结
Redis6.0引入多线程IO，但多线程部分只是用来处理网络数据的读写和协议解析，执行命令仍然是单线程。通过开启多线程IO，并设置合适的CPU数量，可以提升访问请求一倍以上。
Redis6.0多线程IO仍然存在一些不足，没有充分利用CPU核心，在最新的Valkey8.0版本中，引入异步IO将进一步大幅提升Valkey性能。
往期回顾
1.得物社区活动：组件化的演进与实践
2.从CPU冒烟到丝滑体验：算法SRE性能优化实战全揭秘｜得物技术
3.CSS闯关指南：从手写地狱到“类”积木之旅｜得物技术
4.以细节诠释专业，用成长定义价值——对话@孟同学 ｜得物技术
5.大语言模型的训练后量化算法综述 | 得物技术
文 / 竹径
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