文章摘要

这篇文章详细介绍了Redis的高性能原因。内容包括以下几个方面：

1. 内存存储：Redis将数据存储在内存中，避免了磁盘I/O操作，从而大大提高了数据读写速度。
2. 单线程模型：Redis采用单线程模型，避免了多线程的上下文切换和竞争问题，使得操作更加高效。
3. 高效的数据结构：Redis使用了高效的数据结构，如字符串、哈希、列表、集合和有序集合，优化了数据存取的效率。
4. I/O多路复用：Redis使用I/O多路复用技术，通过一个线程处理多个连接，提高了并发处理能力。
5. 优化的序列化协议：Redis使用RESP（REdis Serialization Protocol）协议，简化了客户端和服务器之间的数据传输。

文章通过详细的解释和实例，帮助读者理解Redis为何能够实现高性能。整体内容适合对Redis性能感兴趣的初学者和有一定基础的用户参考学习。

前言

Redis 是一个开源的内存数据结构存储，广泛用于缓存、消息队列和实时数据处理等场景。Redis 之所以能够实现高性能和低延迟，主要归功于其设计和实现中的一些关键技术和优化策略。

Redis以性能著称，很快，到底有多快呢，我们来看一下官网提供的数据：

QPS可以达到100000，是什么原因让Redis这么快？主要有以下四点：

  • Redis是基于内存的数据库
  • IO多路复用
  • 高效的数据结构
  • 单线程模型

基于内存

Redis是基于内存的数据库，这样就减少了不必要的磁盘IO操作，大大提升了读写速度，下图是各种介质的处理时间

由上图可见，内存的存取时间大约为120纳秒，而硬盘的存取时间最快也要50微秒，换算下来，内存的速度至少是硬盘的400多倍。注：1ms=1000us，1us=1000ns，ms表示毫秒，us表示微秒，ns为纳秒。

IO多路复用

Redis 的 IO 多路复用（IO Multiplexing）是指在一个单线程内同时处理多个网络连接的技术。通过这种技术，Redis 能够高效地处理大量并发连接，从而实现高性能和低延迟。

IO 多路复用是一种操作系统提供的机制，它允许一个单线程在等待多个文件描述符（如网络连接、文件等）上的事件时，不会阻塞。这种技术使得单个线程可以同时处理多个网络连接，而不需要为每个连接创建一个线程。

Redis 使用以下几种系统调用来实现 IO 多路复用：

evport：Solaris 的 IO 多路复用机制。

select：最早的 IO 多路复用机制，适用于几乎所有的操作系统，但在处理大量文件描述符时性能较差。

poll：改进版的 select，没有文件描述符数量限制，但在性能上仍然有一些不足。

epoll：Linux 特有的 IO 多路复用机制，性能优越，适用于大规模并发连接。

kqueue：FreeBSD、OpenBSD、NetBSD 以及 macOS 的 IO 多路复用机制，性能优越。

在 Redis 启动时，它会根据操作系统的类型和可用性，自动选择最佳的 IO 多路复用机制。

IO 多路复用的工作原理

Redis 的 IO 多路复用机制主要包括以下步骤：

  1. 初始化：在 Redis 启动时，初始化 IO 多路复用机制，创建事件循环。
  2. 注册事件：将需要监听的文件描述符（如客户端连接的套接字）注册到 IO 多路复用机制中。
  3. 等待事件：使用 IO 多路复用系统调用（如 epoll_wait）等待文件描述符上的事件（如读、写、错误等）。
  4. 处理事件：当有事件发生时，Redis 会调用相应的事件处理器来处理这些事件（如读入客户端请求、发送响应等）。
  5. 循环处理：重复上述步骤，直到 Redis 关闭。

高效数据结构

Redis采用高效的数据结构来提升性能，比如动态字符串、压缩列表、跳跃表等。

动态字符串：

动态字符串（SDS，Simple Dynamic String）是Redis存储字符串的底层实现，它可以动态调整大小，高效的进行字符串的追加、删除等操作

SDS本身包含了长度信息，能够以O(1)的复杂度获取字符串的长度信息。另外，SDS的空间分配策略和惰性空间释放策略，让字符串的操作更加高效。当然，SDS需要额外的空间存储这样的信息，导致它占用的内存较大。

struct sdshdr {
    long len;
    long free;
    char buf[];
};

buf是保存实际数据的字节数组，而len为buf的实际长度，free表示额外的可用字节大小。压缩列表：压缩列表（ziplist）是一种紧凑型的数据结构，它比较适合用来存储一些较小的元素，比如字符串、整数或者浮点数等。压缩列表由一系列的条目组成，每个条目表示一个元素，它包括以下几个部分：

Prevlen：前一个条目的长度

Entrylen：当前条目的长度
Content：元素的实际内容列表中的这些元素都是连续的，这意味着不需要额外的元数据或者指针来记录元素间的关系。与其它的数据结构相比，比如双向链表，压缩列表减少了额外的内存开支。同时，这些元素是连接存放的，所以按序号访问时，用时都是常数时间。另外，Redis会自动在压缩列表和其他数据结构之间进行切换，比如双向链表，哈希表等。切换的标准与元素的大小和个数有关。跳表：

跳表(skiplist)是一种有序的数据结构，能够进行快速查找。通过层级的链表结构，实现了元素的快速操作，包括插入、删除等。

跳表在多个层级上建立索引，可以在O(logN)的时间内完成查找。通过跳跃这些元素的上层指针，可以跳过很多元素，从而实现快速的查找、插入和删除操作。

Redis还支持三大扩展数据类型：位图Bitmaps、基数统计HyperLogLog、地理位置GEO、Streams等。

单线程

Redis是一款内存数据库，绝大部分的操作都是在内存中进行的，所以它的性能瓶颈主要是内存操作和网络通信，而不是CPU。在这样的场景下，多线程就未必比单线程要快，因为CPU在一个时间片里只能执行一个线程，线程切换的时候就需要保存当前线程的上下文，包括一些额外的线程调度、同步等操作，这样就会降低Redis性能。

Redis不是CPU密集型的系统，单个线程足以满足计算要求，这样就避免了多线程带来的性能损耗，同时也让操作更加稳定。

Redis 使用单线程来处理客户端的请求，这是因为：

  1. 避免锁竞争：多线程编程中常见的锁竞争问题会导致性能下降。使用单线程可以避免这一问题，从而提供更高的性能和一致性。
  2. 简化编程：单线程模型使得代码更简单，没有复杂的线程同步问题，更容易维护和调试。

Redis 的单线程模型是指其主要的网络 I/O 和命令执行部分是由一个单线程来处理的。但这并不意味着 Redis 完全依赖单线程来处理所有的操作。实际上，Redis 利用了多种优化技术和机制来确保高效的性能。

Redis在6.0推出了多线程，可以在高并发场景下利用CPU多核多线程读写客户端数据，进一步提升性能，当然，只是针对客户端的读写是并行的，每个命令的真正操作依旧是单线程的。

多线程的使用

虽然 Redis 的核心操作是单线程的，但它在某些场景下也利用了多线程来优化性能。例如：

  1. 异步 I/O 操作：
    • Redis 使用非阻塞 I/O 多路复用技术（如 epoll、kqueue 等）来处理网络连接和 I/O 操作。这使得即使单线程也能够高效地处理大量并发连接。
  2. 持久化操作：
    • Redis 提供了 RDB（快照）和 AOF（追加文件）两种持久化机制。在执行这些持久化操作时，Redis 会通过后台子进程或线程来处理，以避免阻塞主线程。
    • 例如，RDB 快照的生成是在一个子进程中进行的，而 AOF 重写则可以在后台线程中进行。
  3. 模块扩展：
    • Redis 4.0 引入了模块系统，允许开发者编写自定义的 Redis 扩展。模块可以使用多线程来实现一些复杂的计算或 I/O 操作，而不会阻塞 Redis 的主线程。