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RedisネットワークIOモデルの分析と適用

王林

リリース： 2023-05-11 20:51:08

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Redis は、ビッグデータ、アーキテクチャ設計、その他の分野で広く使用されているオープンソースの高性能キーバリューストレージシステムです。その効率的なネットワーク IO モデルは、リクエストに迅速に応答するための重要な基盤です。この記事では、Redis のネットワーク IO モデルとその実装原理を紹介し、実際のアプリケーションにおけるその最適化方法について説明します。

1. Redis のネットワーク IO モデル

Redis のネットワーク IO モデルは、シングルスレッドと多重化の組み合わせを選択します。基本的なプロセスは次のとおりです。

Redis は、まずソケット関数を通じて待機ソケットを作成し、サービスポートをバインドします。
Redis はメインループに入り、メインループで select 関数を呼び出し、リスニングソケットとクライアント接続ソケットを監視リストに追加し、イベントが発生するまでブロックします。
listen ソケットに接続要求がある場合、select 関数は接続要求イベントを返しますが、このとき、Redis は accept 関数を通じて接続要求を受け取り、新しいクライアント接続ソケットを作成します。
次に、Redis は新しく作成されたクライアント接続ソケットを監視リストに追加します。
Redis は、クライアントから送信されたリクエストの処理を開始します。読み取りイベントがある場合 (つまり、クライアントがデータを送信する場合)、select 関数は読み取りイベントを返します。このとき、Redis はクライアントから送信されたリクエストを read 関数を通じて読み取ります。
Redis はリクエスト処理を実行し、処理後の結果は send 関数を通じてクライアント接続ソケットに送信されます。
select 関数は再びブロックされ、イベントが発生するのを待ちます。

上記は Redis のネットワーク IO モデルのプロセスです。 Redis はシングルスレッドのアプローチを使用するため、マルチスレッドによって引き起こされるコンテキストの切り替えとロックの競合のオーバーヘッドを回避します。多重化テクノロジーにより、1 つのスレッドで複数のクライアント要求を同時に処理できるため、システムの同時処理能力が向上します。
2. Redis ネットワーク IO モデルの実装原理

Redis で使用される多重化技術は、主に Linux カーネルが提供する select、poll、epoll などの機能を使用して実装されます。このうち、select 関数と Paul 関数は限られた数のファイル記述子をサポートしますが、epoll 関数は多数の同時接続をサポートでき、パフォーマンスがより効率的です。したがって、Linux 2.6 以降の Redis バージョンでは、epoll 関数が優先されます。

Redis は起動時に epoll ハンドルを作成し、監視のためにリスニングソケット (メインサービスポート) を epoll に追加します。新しい接続要求があると、その接続は accept 関数によって処理され、新しく接続されたソケットが epoll によって管理されるファイル記述子セットに追加されます。読み取り可能なデータがある場合、epoll は Redis に通知し、Redis はクライアントからのリクエストを読み取り、プロトコルに従って解析および処理し、最後に応答データをクライアントに書き込みます。

Redis がノンブロッキング IO (Non-Blocking IO) 方式を使用していることは注目に値します。原理は、ファイル記述子をノンブロッキングモードに設定することで、カーネルの非同期 IO の特性を利用してノンブロッキング読み取りおよび書き込み操作を実装し、IO 操作の戻りを待ってプロセスがブロックされる状況を回避します。ノンブロッキング IO モードでは、読み取り操作が戻ったときに、現在のファイル記述子にまだ読み取られていないデータが存在する可能性があるため、すべてのデータが読み取られるまでループを使用して読み取る必要があります。書き込み操作も同様で、すべてのデータが書き込まれるまでループでデータを書き込む必要があります。

3. Redis ネットワーク IO モデルの最適化

TCP Nagle アルゴリズムを無効にする

TCP Nagle アルゴリズムは、ネットワーク上の小さなデータパケットを削減する方法です。ネットワーク伝送効率を向上させるアルゴリズムの数。ただし、ユーザーのログインやその他の操作など、データをすぐに送信する必要があるシナリオでは、データが最適なサイズに達するまで待ってから送信することはできません。現時点では、TCP_NODELAY オプションを設定することで TCP Nagle アルゴリズムを無効にし、データをすぐに送信できます。

頻繁な IO 操作を減らす

Redis では、頻繁な IO 操作によりシステムのパフォーマンスが大幅に低下します。そのため、Redis アプリケーションを作成する場合、複数のリクエストを 1 つのリクエストにマージするなど、プロトコルを最適化することで、送信されるデータの量と数を削減できます。同時に、クライアントが読み取りおよび書き込み操作を実行するときに、IO 操作が頻繁にトリガーされるのを避けるために、MTU より小さいデータパケットの送信を最小限に抑えることもできます。

接続プールを使用する

Redis アプリケーションでは、同時実行数が増加するにつれて接続数も増加します。そのたびに TCP 接続が再確立されると、システムのオーバーヘッドが大きくなる原因となります。このとき、コネクションプール(Connection Pool)技術を利用することができます。接続プーリングは一般的なテクノロジであり、同時実行性の高いシステム開発でよく使用されます。接続プールは複数の接続を管理し、既存の接続を再利用できるため、TCP 接続の頻繁な確立と切断が回避されます。

メモリ割り当てと解放の最適化

Redis のメモリ割り当てと解放は、アプリケーションの重要な部分です。共通メモリプールテクノロジを使用すると、メモリの割り当てと解放の数が減り、システムパフォーマンスが向上します。 Redisでは文字列型に対応するエンコード方式としてembstrまたはrawがあり、raw型はメモリプール技術を使用しないのに対し、embstr型はメモリプールを使用するため、可能な限りデータを格納するにはembstr型を使用する必要があります。。

複数のプロセスがシングルスレッド IO 再利用のボトルネックを解決します

Redis はシングルスレッドのアプローチを使用して高パフォーマンスの IO 操作を提供しますが、ボトルネックも感じています。この場合、1 つのプロセス内のデーモンプロセスの機能を複数のプロセスに分割し、各プロセスが IO 操作を独立して処理できるようにして、システムの同時実行パフォーマンスを向上させることができます。

4.概要

Redis のネットワーク IO モデルは、シングルスレッドと多重化の組み合わせを採用しており、その効率的な実装スキームと最適化手法により、システムパフォーマンスの効率的な実行が保証されます。実際のアプリケーション開発では、Redis のポテンシャルを最大限に発揮させるために、状況に応じて適切な最適化手法を選択する必要があります。

以上がRedisネットワークIOモデルの分析と適用の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。