到底有多快

根据官方数据，Redis 的 QPS 可以达到约 100000（每秒请求数），有兴趣的可以参考官方的基准程序测试《How fast is Redis？》，地址：https://redis.io/topics/benchmarks

基于内存实现

Redis 是基于内存的数据库，跟磁盘数据库相比，完全吊打磁盘的速度。不论读写操作都是在内存上完成的，我们分别对比下内存操作与磁盘操作的差异。

磁盘调用

内存操作

内存直接由 CPU 控制，也就是 CPU 内部集成的内存控制器，所以说内存是直接与 CPU 对接，享受与 CPU 通信的最优带宽。
最后以一张图量化系统的各种延时时间（部分数据引用 Brendan Gregg）

高效的数据结构

学习 MySQL 的时候我知道为了提高检索速度使用了 B+ Tree 数据结构，所以 Redis 速度快应该也跟数据结构有关。
在 Redis 中，常用的 5 种数据类型和应用场景如下：

• String： 缓存、计数器、分布式锁等。
• List： 链表、队列、微博关注人时间轴列表等。
• Hash： 用户信息、Hash 表等。
• Set： 去重、赞、踩、共同好友等。
• Zset： 访问量排行榜、点击量排行榜等。

上面是 Redis 支持的数据类型，也就是数据的保存形式。针对这 5 种数据类型，底层运用了高效的数据结构来支持。

为了追求速度，不同数据类型使用不同的数据结构速度才得以提升。每种数据类型都有一种或者多种数据结构来支撑，底层数据结构有 6 种。

Redis hash 字典

Redis 整体就是一个哈希表来保存所有的键值对，无论数据类型是 5 种的任意一种。

整个数据库就是一个全局哈希表，而哈希表的时间复杂度是 O(1)，只需要计算每个键的哈希值，便知道对应的哈希桶位置，定位桶里面的 entry 找到对应数据，这个也是 Redis 快的原因之一。

那 Hash 冲突怎么办？
当写入 Redis 的数据越来越多的时候，哈希冲突不可避免，会出现不同的 key 计算出一样的哈希值。

Redis 通过链式哈希解决冲突：也就是同一个 桶里面的元素使用链表保存。但是当链表过长就会导致查找性能变差可能，所以 Redis 为了追求快，使用了两个全局哈希表。用于 rehash 操作，增加现有的哈希桶数量，减少哈希冲突。

开始默认使用 hash 表 1 保存键值对数据，哈希表 2 此刻没有分配空间。当数据越来多触发 rehash 操作，则执行以下操作：

1、给 hash 表 2 分配更大的空间；
2、将 hash 表 1 的数据重新映射拷贝到 hash 表 2 中；
3、释放 hash 表 1 的空间。

值得注意的是，将 hash 表 1 的数据重新映射到 hash 表 2 的过程中并不是一次性的，这样会造成 Redis 阻塞，无法提供服务。

而是采用了渐进式 rehash，每次处理客户端请求的时候，先从 hash 表 1 中第一个索引开始，将这个位置的 所有数据拷贝到 hash 表 2 中，就这样将 rehash 分散到多次请求过程中，避免耗时阻塞。

SDS 简单动态字符

字符串结构使用最广泛，通常我们用于缓存登陆后的用户信息，key = userId，value = 用户信息 JSON 序列化成字符串。

C 语言字符串结构与 SDS 字符串结构对比图如下所示：

SDS优势：
1、SDS 中 len 保存这字符串的长度，O(1) 时间复杂度查询字符串长度信息。C语言从头开始遍历，直到 「\0」为止，时间复杂度为 O(n)。

2、空间预分配：SDS 被修改后，程序不仅会为 SDS 分配所需要的必须空间，还会分配额外的未使用空间。

3、惰性空间释放：当对 SDS 进行缩短操作时，程序并不会回收多余的内存空间，而是使用 free 字段将这些字节数量记录下来不释放，后面如果需要 append 操作，则直接使用 free 中未使用的空间，减少了内存的分配。

zipList 压缩列表

压缩列表是 List 、hash、 sorted Set 三种数据类型底层实现之一。

当一个列表只有少量数据的时候，并且每个列表项要么就是小整数值，要么就是长度比较短的字符串，那么 Redis 就会使用压缩列表来做列表键的底层实现。

ziplist 是由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序型的数据结构，ziplist 中可以包含多个 entry 节点，每个节点可以存放整数或者字符串。

quicklist

后续版本对列表数据结构进行了改造，使用 quicklist 代替了 ziplist 和 linkedlist。

quicklist 是 ziplist 和 linkedlist 的混合体，它将 linkedlist 按段切分，每一段使用 ziplist 来紧凑存储，多个 ziplist 之间使用双向指针串接起来。

skipList 跳跃表

sorted set 类型的排序功能便是通过「跳跃列表」数据结构来实现。

跳跃表（skiplist）是一种有序数据结构，它通过在每个节点中维持多个指向其他节点的指针，从而达到快速访问节点的目的。

跳表在链表的基础上，增加了多层级索引，通过索引位置的几个跳转，实现数据的快速定位，如下图所示

整数数组（intset）

当一个集合只包含整数值元素，并且这个集合的元素数量不多时，Redis 就会使用整数集合作为集合键的底层实现。结构如下：

contents 数组是整数集合的底层实现：整数集合的每个元素都是 contents 数组的一个数组项（item），各个项在数组中按值的大小从小到大有序地排列，并且数组中不包含任何重复项。length 属性记录了整数集合包含的元素数量，也即是 contents 数组的长度。

单线程模型

我们要明确的是：Redis 的单线程指的是 Redis 的网络 IO 以及键值对指令读写是由一个线程来执行的。 对于 Redis 的持久化、集群数据同步、异步删除等都是其他线程执行。

至于为啥用单线程，我们先了解多线程有什么缺点。

多线程的弊端

使用多线程，通常可以增加系统吞吐量，充分利用 CPU 资源。

但是，使用多线程后，没有良好的系统设计，可能会出现如下图所示的场景，增加了线程数量，前期吞吐量会增加，再进一步新增线程的时候，系统吞吐量几乎不再新增，甚至会下降

在运行每个任务之前，CPU 需要知道任务在何处加载并开始运行。也就是说，系统需要帮助它预先设置 CPU 寄存器和程序计数器，这称为 CPU 上下文。

这些保存的上下文存储在系统内核中，并在重新计划任务时再次加载。这样，任务的原始状态将不会受到影响，并且该任务将看起来正在连续运行。

切换上下文时，我们需要完成一系列工作，这是非常消耗资源的操作。

另外，当多线程并行修改共享数据的时候，为了保证数据正确，需要加锁机制就会带来额外的性能开销，面临的共享资源的并发访问控制问题。

单线程又什么好处？

1、不会因为线程创建导致的性能消耗；
2、避免上下文切换引起的 CPU 消耗，没有多线程切换的开销；
3、避免了线程之间的竞争问题，比如添加锁、释放锁、死锁等，不需要考虑各种锁问题。
4、代码更清晰，处理逻辑简单。

单线程是否没有充分利用 CPU 资源呢？

官方答案：因为 Redis 是基于内存的操作，CPU 不是 Redis 的瓶颈，Redis 的瓶颈最有可能是机器内存的大小或者网络带宽。既然单线程容易实现，而且 CPU 不会成为瓶颈，那就顺理成章地采用单线程的方案了。原文地址：https://redis.io/topics/faq。

I/O 多路复用模型

Redis 采用 I/O 多路复用技术，并发处理连接。采用了 epoll + 自己实现的简单的事件框架。epoll 中的读、写、关闭、连接都转化成了事件，然后利用 epoll 的多路复用特性，绝不在 IO 上浪费一点时间。

在解释 IO 多虑复用之前我们先了解下基本 IO 操作会经历什么。

基本 IO 模型
一个基本的网络 IO 模型，当处理 get 请求，会经历以下过程：
1、和客户端建立建立 accept;
2、从 socket 种读取请求 recv;
3、解析客户端发送的请求 parse;
4、执行 get 指令；
5、响应客户端数据，也就是 向 socket 写回数据。

其中，bind/listen、accept、recv、parse 和 send 属于网络 IO 处理，而 get 属于键值数据操作。既然 Redis 是单线程，那么，最基本的一种实现是在一个线程中依次执行上面说的这些操作。

关键点就是 accept 和 recv 会出现阻塞，当 Redis 监听到一个客户端有连接请求，但一直未能成功建立起连接时，会阻塞在 accept() 函数这里，导致其他客户端无法和 Redis 建立连接。

类似的，当 Redis 通过 recv() 从一个客户端读取数据时，如果数据一直没有到达，Redis 也会一直阻塞在 recv()。

阻塞的原因由于使用传统阻塞 IO ，也就是在执行 read、accept 、recv 等网络操作会一直阻塞等待。如下图所示：

IO 多路复用

多路指的是多个 socket 连接，复用指的是复用一个线程。多路复用主要有三种技术：select，poll，epoll。epoll 是最新的也是目前最好的多路复用技术。

它的基本原理是，内核不是监视应用程序本身的连接，而是监视应用程序的文件描述符。

当客户端运行时，它将生成具有不同事件类型的套接字。在服务器端，I / O 多路复用程序（I / O 多路复用模块）会将消息放入队列（也就是 下图的 I/O 多路复用程序的 socket 队列），然后通过文件事件分派器将其转发到不同的事件处理器。

简单来说：Redis 单线程情况下，内核会一直监听 socket 上的连接请求或者数据请求，一旦有请求到达就交给 Redis 线程处理，这就实现了一个 Redis 线程处理多个 IO 流的效果。

select/epoll 提供了基于事件的回调机制，即针对不同事件的发生，调用相应的事件处理器。所以 Redis 一直在处理事件，提升 Redis 的响应性能。

Redis 线程不会阻塞在某一个特定的监听或已连接套接字上，也就是说，不会阻塞在某一个特定的客户端请求处理上。正因为此，Redis 可以同时和多个客户端连接并处理请求，从而提升并发性。

总结

1、基于内存实现
2、使用I/O多路复用
3、单线程模型
4、高效的数据结构