Analyse et application du modèle IO du réseau Redis

Redis est un système de stockage clé-valeur open source et hautes performances, largement utilisé dans le Big Data, la conception d'architecture et d'autres domaines. Son modèle d’E/S réseau efficace constitue une base importante pour sa réponse rapide aux demandes. Cet article présentera le modèle réseau IO de Redis et ses principes de mise en œuvre, et discutera de ses méthodes d'optimisation dans des applications pratiques.

1. Le modèle IO réseau de Redis

Le modèle IO réseau de Redis choisit une combinaison de thread unique et de multiplexage. Le processus de base est le suivant :

1. Redis crée d'abord un socket d'écoute via la fonction socket et lie le port de service.
2. Redis entre dans la boucle principale, appelle la fonction select dans la boucle principale, ajoute à la fois le socket d'écoute et le socket de connexion client à la liste de surveillance et bloque jusqu'à ce qu'un événement se produise.
3. Lorsque le socket d'écoute a une demande de connexion, la fonction select renvoie l'événement de demande de connexion. À ce moment, Redis reçoit la demande de connexion via la fonction accept et crée un nouveau socket de connexion client.
4. Ensuite, Redis ajoute le socket de connexion client nouvellement créé à la liste de surveillance.
5. Redis commence à traiter la requête envoyée par le client. Lorsqu'il y a un événement de lecture (c'est-à-dire que le client envoie des données), la fonction select renvoie l'événement de lecture. A ce moment, Redis lit la requête envoyée par le client via la fonction de lecture.
6. Redis effectue le traitement des requêtes, et après traitement, le résultat est envoyé au socket de connexion client via la fonction d'envoi.
7. La fonction select bloque à nouveau en attendant que l'événement se produise.

Ce qui précède est le processus de modèle d'E/S réseau de Redis. Étant donné que Redis utilise une approche monothread, il évite la surcharge de changement de contexte et la concurrence de verrouillage causée par le multithreading. La technologie de multiplexage permet à un thread de traiter plusieurs requêtes client en même temps, améliorant ainsi les capacités de traitement simultané du système.
2. Principe de mise en œuvre du modèle IO du réseau Redis

La technologie de multiplexage utilisée par Redis est principalement implémentée en utilisant les fonctions select, poll, epoll et autres fournies par le noyau Linux. Parmi elles, les fonctions select et poll prennent en charge un nombre limité de descripteurs de fichiers, tandis que la fonction epoll peut prendre en charge un grand nombre de connexions simultanées et ses performances sont plus efficaces. Par conséquent, dans les versions Redis supérieures à Linux 2.6, la fonction epoll est préférée.

Redis créera un handle epoll au démarrage et ajoutera le socket d'écoute (le port de service principal) à epoll pour la surveillance. Lorsqu'il y a une nouvelle demande de connexion, la connexion est traitée via la fonction accept et le socket nouvellement connecté est ajouté à l'ensemble de descripteurs de fichier géré par epoll. Lorsqu'il y a des données lisibles, epoll en informera Redis, et Redis lira la demande du client, l'analysera et la traitera selon le protocole, et enfin réécrira les données de réponse au client.

Il est à noter que Redis utilise des IO non bloquantes (Non-Blocking IO). Le principe est de définir le descripteur de fichier en mode non bloquant, utilisant ainsi les caractéristiques des IO asynchrones du noyau pour implémenter des opérations de lecture et d'écriture non bloquantes, évitant ainsi la situation où le processus est bloqué en attendant le retour de l'opération IO. En mode IO non bloquant, lorsque l'opération de lecture revient, il peut encore y avoir des données non lues dans le descripteur de fichier actuel, vous devez donc utiliser une boucle pour lire jusqu'à ce que toutes les données soient lues. L'opération d'écriture est similaire et les données doivent être écrites en boucle jusqu'à ce que toutes les données soient écrites.

3. Optimisation du modèle IO du réseau Redis

1. Désactiver l'algorithme TCP Nagle

L'algorithme TCP Nagle est un An algorithme qui améliore l’efficacité de la transmission du réseau en réduisant le nombre de petits paquets de données sur le réseau. Cependant, dans certains scénarios, les données doivent être envoyées immédiatement, comme la connexion de l'utilisateur et d'autres opérations. Dans ce cas, vous ne pouvez pas attendre que les données atteignent la taille optimale avant de les envoyer. À ce stade, vous pouvez désactiver l'algorithme TCP Nagle en définissant l'option TCP_NODELAY et envoyer les données immédiatement.

2. Réduire les opérations d'E/S fréquentes

Dans Redis, les opérations d'E/S fréquentes réduiront considérablement les performances du système. Par conséquent, lors de l'écriture d'une application Redis, vous pouvez réduire la quantité et le nombre de données envoyées en optimisant le protocole, par exemple en fusionnant plusieurs requêtes en une seule. Dans le même temps, lorsque le client effectue des opérations de lecture et d'écriture, il peut également minimiser l'envoi de paquets de données plus petits que la MTU pour éviter de déclencher fréquemment des opérations d'E/S.

3. Utiliser le pool de connexions

Dans une application Redis, le nombre de connexions augmentera à mesure que le nombre de concurrence augmente si elle est redémarrée tous les deux. time L'établissement d'une connexion TCP entraînera une surcharge système importante. À l’heure actuelle, la technologie de pool de connexions (Connection Pool) peut être utilisée. Le pooling de connexions est une technologie courante et est souvent utilisé dans le développement de systèmes à haute concurrence. Le pool de connexions peut gérer plusieurs connexions et réutiliser les connexions existantes, évitant ainsi l'établissement et la destruction fréquents de connexions TCP.

4. Optimiser l'allocation et la libération de mémoire

L'allocation et la libération de mémoire de Redis sont une partie importante de son application. L'utilisation d'une technologie de pool de mémoire commune peut réduire le nombre d'allocations et de libérations de mémoire, améliorant ainsi les performances du système. Dans Redis, la méthode d'encodage correspondant au type chaîne est embstr ou raw. Le type brut n'utilise pas la technologie de pool de mémoire, tandis que le type embstr utilise le pool de mémoire. Par conséquent, le type embstr doit être utilisé pour stocker les données autant que possible. .

5. Des processus multiples résolvent le goulot d'étranglement de la réutilisation des E/S à thread unique

Bien que Redis utilise une approche à thread unique pour fournir des opérations d'E/S hautes performances , il a aussi donc ressenti son goulot d'étranglement. Dans ce cas, les fonctions du processus démon dans un processus peuvent être divisées en plusieurs processus, permettant à chaque processus de gérer les opérations d'E/S indépendamment pour améliorer les performances de concurrence du système.

4.Résumé

Le modèle d'E/S réseau de Redis adopte une combinaison de thread unique et de multiplexage. Son schéma de mise en œuvre efficace et sa méthode d'optimisation peuvent garantir une exécution efficace des performances du système. Dans le développement réel d'applications, il est nécessaire de choisir la méthode d'optimisation appropriée en fonction de la situation spécifique pour permettre à Redis de maximiser son potentiel.

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