Redis 通過 I/O 多路復用（I/O Multiplexing）技術實現高并發，這是其單線程模型能夠高效處理大量客戶端連接的關鍵。以下是通俗易懂的解釋，結合 Redis 的工作原理，詳細說明其實現過程。

1. 什么是 I/O 多路復用？

• 定義：I/O 多路復用是一種讓單個線程同時監控多個 I/O 事件（比如 socket 讀寫）的技術。當某個事件準備好（比如有數據可讀或可寫）時，程序再處理它。
• 比喻：想象一個服務員在餐廳里，他不用盯著每個桌子，而是站在中間，隨時接收多個桌子發來的“點單”或“結賬”信號，哪個桌子準備好了就去服務，效率高且不浪費時間。
• 技術支持：Redis 主要使用 Linux 下的 epoll（或 macOS 的 kqueue），這些是操作系統提供的 I/O 多路復用機制。

2. Redis 如何使用 I/O 多路復用？

• 單線程核心：Redis 的命令處理和數據操作由單線程順序執行，但網絡 I/O（接收請求、發送響應）是高并發的瓶頸。
• 事件驅動模型：Redis 采用 Reactor 模式，通過 I/O 多路復用監聽所有客戶端連接的 socket：
  • 將所有客戶端 socket 注冊到 epoll 中。
  • epoll 檢測到有 socket 準備好讀寫時，通知 Redis 主線程。
  • 主線程處理準備好的事件，依次執行命令。
• 非阻塞 I/O：socket 設置為非阻塞模式，防止單個客戶端操作阻塞整個線程。

3. 實現高并發的具體流程

1. 客戶端連接：
   • 多個客戶端（比如 10 萬個）通過 TCP 連接到 Redis，每條連接對應一個 socket。
   • Redis 將這些 socket 交給 epoll 監控。
2. 事件監控：
   • epoll 持續檢查所有 socket，檢測哪些有數據可讀（客戶端發送請求）或可寫（準備發送響應）。
   • 一旦檢測到事件，epoll 返回一個事件列表給 Redis。
3. 順序處理：
   • Redis 主線程從事件列表中逐一取出 socket，讀取請求數據，執行內存操作（比如 GET/SET），然后寫入響應。
   • 由于操作是內存級別的，延遲極低（微秒級），單線程也能快速處理。
4. 流水線優化：
   • 客戶端可以發送多個命令（pipelining），Redis 一次性處理并批量返回，減少網絡往返時間。

4. 為什么 I/O 多路復用能支持高并發？

• 高效利用 CPU：單線程避免上下文切換，專注處理 I/O 事件，CPU 利用率高。
• 減少阻塞：非阻塞 I/O 確保一個慢客戶端不會拖垮整個系統。
• 事件驅動：epoll 的水平觸發或邊緣觸發模式能處理數萬并發連接，遠超傳統多線程模型的線程限制。
• 內存優勢：Redis 操作是內存讀寫，epoll 只需少量系統調用，性能不下降。

5. 數據支持

• 官方測試顯示，單線程 Redis 在普通服務器上可達 10 萬 QPS，配合 pipelining 可達百萬級。這得益于 I/O 多路復用的高效調度。

6. 局限性與改進

• 局限性：如果遇到阻塞命令（如 KEYS 或大集合操作），單線程會暫停處理其他請求。
• 改進：Redis 6.0 引入多線程 I/O（讀寫數據），進一步減輕主線程負擔，但核心邏輯仍單線程。

7. 面試回答示例

• “Redis 通過 I/O 多路復用（如 epoll）實現高并發。單線程使用 Reactor 模式，將所有客戶端 socket 注冊到 epoll，監控讀寫事件。準備好時，順序處理請求，利用內存操作的低延遲支持高吞吐。配合 pipelining 可達百萬 QPS，但阻塞命令仍是瓶頸，6.0 多線程 I/O 優化了這一點。”

總結

Redis 的 I/O 多路復用通過 epoll 高效管理并發連接，單線程順序處理內存操作，結合非阻塞 I/O 和事件驅動，實現高并發和高性能。這種設計特別適合 I/O 密集型應用，而非 CPU 密集型任務。