前言

我們都知道Redis很快，它QPS可達10萬（每秒請求數）。Redis為什麼這麼快呢,本文將跟大家一起學習。

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基於記憶體實現

我們都知道記憶體讀寫是比磁碟讀寫快很多的。Redis是基於記憶體儲存實現的資料庫，相對於資料存在磁碟的資料庫，就省去磁碟磁碟I/O的消耗。MySQL等磁碟資料庫，需要建立索引來加快查詢效率，而Redis資料存放在記憶體，直接操作記憶體，所以就很快。

高效的資料結構

我們知道，MySQL索引為了提高效率，選擇了B+樹的資料結構。其實合理的資料結構，就是可以讓你的應用/程式更快。先看下Redis的資料結構&內部編碼圖：

SDS簡單動態字串

struct sdshdr { //SDS簡單動態字串
    int len;    //記錄buf中已使用的空間
    int free;   // buf中空閒空間長度
    char buf[]; //儲存的實際內容
} 

字串長度處理

在C語言中，要獲取撿田螺的小男孩這個字串的長度，需要從頭開始遍歷，複雜度為O（n）; 在Redis中， 已經有一個len欄位記錄當前字串的長度啦，直接獲取即可，時間複雜度為O(1)。

減少記憶體重新分配的次數

在C語言中，修改一個字串，需要重新分配記憶體，修改越頻繁，記憶體分配就越頻繁，而分配記憶體是會消耗效能的。而在Redis中，SDS提供了兩種優化策略：空間預分配和惰性空間釋放。

空間預分配

當SDS簡單動態字串修改和空間擴充時，除了分配必需的記憶體空間，還會額外分配未使用的空間。分配規則是醬紫的：

• SDS修改後，len的長度小於1M，那麼將額外分配與len相同長度的未使用空間。比如len=100，重新分配後，buf 的實際長度會變為100(已使用空間)+100(額外空間)+1(空字元)=201。
• SDS修改後, len長度大於1M，那麼程式將分配1M的未使用空間。

惰性空間釋放

當SDS縮短時，不是回收多餘的記憶體空間，而是用free記錄下多餘的空間。後續再有修改操作，直接使用free中的空間，減少記憶體分配。

雜湊

Redis 作為一個K-V的記憶體資料庫，它使用用一張全域性的雜湊來儲存所有的鍵值對。這張雜湊表，有多個雜湊桶組成，雜湊桶中的entry元素儲存了*key

雜湊表查詢速率很快的，有點類似於Java中的HashMap，它讓我們在O(1) 的時間複雜度快速找到鍵值對。首先通過key計算雜湊值，找到對應的雜湊桶位置，然後定位到entry，在entry找到對應的資料。

有些小夥伴可能會有疑問：你往雜湊表中寫入大量資料時，不是會遇到雜湊衝突問題嘛，那效率就會降下來啦。

雜湊衝突： 通過不同的key，計算出一樣的雜湊值，導致落在同一個雜湊桶中。

Redis為了解決雜湊衝突，採用了鏈式雜湊。鏈式雜湊是指同一個雜湊桶中，多個元素用一個連結串列來儲存，它們之間依次用指標連線。

有些小夥伴可能還會有疑問：雜湊衝突鏈上的元素只能通過指標逐一查詢再操作。當往雜湊表插入資料很多，衝突也會越多，衝突連結串列就會越長，那查詢效率就會降低了。

為了保持高效，Redis 會對雜湊表做rehash操作，也就是增加雜湊桶，減少衝突。為了rehash更高效，Redis還預設使用了兩個全域性雜湊表，一個用於當前使用，稱為主雜湊表，一個用於擴容，稱為備用雜湊表。

跳躍表

跳躍表是Redis特有的資料結構，它其實就是在連結串列的基礎上，增加多級索引，以提高查詢效率。跳躍表的簡單原理圖如下:

• 每一層都有一條有序的連結串列，最底層的連結串列包含了所有的元素。
• 跳躍表支援平均 O（logN）,最壞 O（N）複雜度的節點查詢，還可以通過順序性操作批量處理節點。

壓縮列表ziplist

壓縮列表ziplist是列表鍵和字典鍵的的底層實現之一。它是由一系列特殊編碼的記憶體塊構成的列表， 一個ziplist可以包含多個entry， 每個entry可以儲存一個長度受限的字元陣列或者整數，如下：

• zlbytes ：記錄整個壓縮列表佔用的記憶體位元組數
• zltail: 尾節點至起始節點的偏移量
• zllen : 記錄整個壓縮列表包含的節點數量
• entryX: 壓縮列表包含的各個節點
• zlend : 特殊值0xFF(十進位制255)，用於標記壓縮列表末端

由於記憶體是連續分配的，所以遍歷速度很快。。

合理的資料編碼

Redis支援多種資料基本型別，每種基本型別對應不同的資料結構，每種資料結構對應不一樣的編碼。為了提高效能，Redis設計者總結出，資料結構最適合的編碼搭配。

Redis是使用物件（redisObject）來表示資料庫中的鍵值，當我們在 Redis 中建立一個鍵值對時，至少建立兩個物件，一個物件是用做鍵值對的鍵物件，另一個是鍵值對的值物件。

//關注公眾號：撿田螺的小男孩
typedef struct redisObject{
    //型別
   unsigned type:4;
   //編碼
   unsigned encoding:4;
   //指向底層資料結構的指標
   void *ptr;
    //...
 }robj; 

redisObject中，type 對應的是物件型別，包含String物件、List物件、Hash物件、Set物件、zset物件。encoding 對應的是編碼。

• String：如果儲存數字的話，是用int型別的編碼;如果儲存非數字，小於等於39位元組的字串，是embstr；大於39個位元組，則是raw編碼。
• List：如果列表的元素個數小於512個，列表每個元素的值都小於64位元組（預設），使用ziplist編碼，否則使用linkedlist編碼
• Hash：雜湊型別元素個數小於512個，所有值小於64位元組的話，使用ziplist編碼,否則使用hashtable編碼。
• Set：如果集合中的元素都是整數且元素個數小於512個，使用intset編碼，否則使用hashtable編碼。
• Zset：當有序集合的元素個數小於128個，每個元素的值小於64位元組時，使用ziplist編碼，否則使用skiplist（跳躍表）編碼

合理的執行緒模型

單執行緒模型：避免了上下文切換

Redis是單執行緒的，其實是指Redis的網路IO和鍵值對讀寫是由一個執行緒來完成的。但Redis的其他功能，比如持久化、非同步刪除、叢集資料同步等等，實際是由額外的執行緒執行的。

Redis的單執行緒模型，避免了CPU不必要的上下文切換和競爭鎖的消耗。也正因為是單執行緒，如果某個命令執行過長（如hgetall命令），會造成阻塞。Redis是面向快速執行場景的記憶體資料庫，所以要慎用如lrange和smembers、hgetall等命令。

什麼是上下文切換？舉個粟子：

• 比如你在看一本英文小說，你看到某一頁，發現有個單詞不會讀，你加了個書籤，然後去查字典。查完字典後，你回來從書籤那裡繼續開始讀，這個流程就很舒暢。
• 如果你一個人讀這本書，肯定沒啥問題。但是如果你去查字典的時候，別的小夥伴翻了一下你的書，然後溜了。你再回來看的時候，發現書不是你看的那一頁了，你得花時間找到你的那一頁。
• 一本書，你一個人怎麼看怎麼打標籤都沒事，但是人多了翻來翻去，這本書各種標記就很亂了。可能這個解釋很粗糙，但是道理應該是一樣的。

I/O 多路複用

什麼是I/O多路複用？

• I/O ：網路 I/O
• 多路 ：多個網路連線
• 複用：複用同一個執行緒。
• IO多路複用其實就是一種同步IO模型，它實現了一個執行緒可以監視多個檔案控制代碼；一旦某個檔案控制代碼就緒，就能夠通知應用程式進行相應的讀寫操作；而沒有檔案控制代碼就緒時,就會阻塞應用程式，交出cpu。

多路I/O複用技術可以讓單個執行緒高效的處理多個連線請求，而Redis使用用epoll作為I/O多路複用技術的實現。並且Redis自身的事件處理模型將epoll中的連線、讀寫、關閉都轉換為事件，不在網路I/O上浪費過多的時間。

虛擬記憶體機制

Redis直接自己構建了VM機制 ，不會像一般的系統會呼叫系統函式處理，會浪費一定的時間去移動和請求。

Redis的虛擬記憶體機制是啥呢？

虛擬記憶體機制就是暫時把不經常訪問的資料(冷資料)從記憶體交換到磁碟中，從而騰出寶貴的記憶體空間用於其它需要訪問的資料(熱資料)。通過VM功能可以實現冷熱資料分離，使熱資料仍在記憶體中、冷資料儲存到磁碟。這樣就可以避免因為記憶體不足而造成訪問速度下降的問題。