阅读之Redis性能

Redis作为一种KV缓存服务器，有着极高的性能，相对于memcache，Redis支持更多中数据类型，因此在业界广泛应用。

Redis为什么快：

1. 数据是存储在内存中的。
2. Redis是单线程的。

将数据存储在内存中，读取的时候后不需要进行磁盘的IO，单线程也保证了系统没有线程的上下文切换。

从数据存储层面上分析Redis性能为何如此高。

Redis性能如此高的原因，有如下几点

1. 纯内存操作
2. 单线程
3. 高效的数据结构
4. 合理的数据编码
5. 其他方面的优化

在Redis中，常用的5中数据结构和应用场景如下：

1. String：缓存、计数器、分布式锁等
2. List：链表、队列、微博关注人世间轴列表等
3. Hash：用户信息、Hash表等
4. Set：去重、赞、踩、共同好友等

Zset：访问量排行榜、点击量排行榜等

SDS

Redis是用C语言开发完成的，但在Redis字符串中，并没有使用C语言中的字符串，而是用一种称为SDS（simple dynamic string）的结构体来保存字符串，SDS的结构如下

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

len：用于记录buf中已使用空间的长度

free：buf中空闲空间的长度

buf[]：存储实际内容

例如：执行命令set key value，key和value都是一个SDS类型的结构存储在内存中

二、SDS与C字符串的区别

1、常数时间内获得字符串长度

• C字符串本身不记录长度信息，每次获取长度信息都需要遍历整个字符串，复杂度为O(n)
• C字符串遍历时遇到'\0'时结束

SDS中len字段保存着字符串的长度，所以总能在常数时间内获取字符串长度，复杂度是O(1)

2、避免缓冲区溢出

假设在内存中有两个紧挨着的两个字符串，s1=“xxxxx”和s2=“yyyyy”，由于在内存上紧紧相连，当我们对s1进行扩充的时候，将s1=“xxxxxzzzzz”后，由于没有进行相应的内存重新分配，导致s1把s2覆盖掉，导致s2被莫名其妙的修改。

但SDS的API对zfc修改时首先会检查空间是否足够，若不充足则会分分配新空间，避免了缓冲区溢出问题。

3、减少字符串修改时带来的内存重新分配的次数

在C中，当我们频繁的对一个字符串进行修改（append或trim）操作的时候，需要频繁的进行内存重新分配的操作，十分影响性能。如果不小心忘记，有可能会导致内存溢出或内存泄漏，对于Redis来说，本身就会很频繁的修改字符串，所以使用C字符串并不合适。而SDS实现了空间预分配和惰性空间释放两种优化策略：

• 空间预分配

当SDS的API对一个SDS修改后，并且对SDS空间扩充时，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，分配规则如下：

如果对SDS修改后，len的长度小于1M，那么程序将分配和len相同长度的未使用空间。举个例子，如果len=10，重新分配后，buf的实际长度会变为10(已使用空间)+10(额外空间)+1(空字符)=21。

如果对SDS修改后len长度大于1M，那么程序将分配1M的未使用空间

• 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。

4、二进制安全

在Redis中不仅可以存储String类型的数据，也可能存储一些二进制数据。二进制数据并不是规则的字符串格式，其中会包含一些特殊的字符如'\0'，在C中遇到'\0'则表示字符串的结束，但在SDS中，标志字符串结束的是len属性。

一、String对象的编码转化

String对象的编码可以是int或raw，对于String类型的键值，如果我们存储的是纯数字，Redis底层采用的是int类型的编码，如果其中包括非数字，则会立即转为raw编码

127.0.0.1:6379> set str 1
OK
127.0.0.1:6379> object encoding
str
"int"
127.0.0.1:6379> set str 1a
OK
127.0.0.1:6379> object encoding
str
"raw"
127.0.0.1:6379>

二、List对象的编码转化

List对象的编码可以是ziplist或linkedlist，对于List类型的键值，当列表对象同时满足一下两个条件时采用ziplist编码

• 列表对象保存的所有字符串元素的长度都小于64字节
• 列表对象保存的元素个数小于512个

如果不满足这两个条件的任意一个，就会转化为linkedlist编码

注意：这两个条件是可以修改的，在redis.conf中

list-max-ziplist-entries 512
list-max-ziplist-value
64

三、Set类型的编码转化

Set对象的编码可以是intset或hashtable，intset编码的结婚对象使用整数集合作为底层实现，把所有元素都保存在一个整数集合里面。

127.0.0.1:6379> sadd set 1 2 3
(integer) 3
127.0.0.1:6379> object encoding set
"intset"
127.0.0.1:6379>

如果set集合中保存了非整数类型的数据时，Redis会将intset转化为hashtable

127.0.0.1:6379> sadd set 1 2 3
(integer) 3
127.0.0.1:6379> object encoding set
"intset"
127.0.0.1:6379> sadd set a
(integer) 1
127.0.0.1:6379> object encoding set
"hashtable"
 127.0.0.1:6379>

当Set对象同时满足一下两个条件时，对象采用intset编码

• 保存的所有元素都是整数值（小数不行）
• Set对象保存的所有元素个数小于512个

不能满足这两个条件的任意一个，Set都会采用hashtable存储

注意：第两个条件是可以修改的，在redis.conf中

set-max-intset-entries 512

四、Hash对象的编码转化

Hash对象的编码可以是ziplist或hashtable，当Hash以ziplist编码存储的时候，保存同一键值对的两个节点总是紧挨在一起，键节点在前，值节点在后

zlbytes

zltail

zllen

name

tom

age

25

career

programmer

zlend

当Hash对象同时满足一下两个条件时，Hash对象采用ziplist编码

• Hash对象保存的所有键值对的键和值的字符串长度均小于64字节
• Hash对象保存的键值对数量小于512个

如果不满足以上条件的任意一个，ziplist就会转化为hashtable编码

注意：这两个条件是可以修改的，在redis.conf中

hash-max-ziplist-entries 512
hash-max-ziplist-value
64

五、Zset对象的编码转化

Zset对象的编码可以是ziplist或zkiplist，当采用ziplist编码存储时，每个集合元素使用两个紧挨在一起的压缩列表来存储。第一个节点存储元素的成员，第二个节点存储元素的分值，并且按分值大小从小到大有序排列。

zlbytes

zltail

zllen

java

5.0

python

6.0

html

7.0

zlend

当Zset对象同时满足一下两个条件时采用ziplist编码

• Zset保存的元素个数小于128
• Zset元素的成员长度都小于64字节

如果不满足以上条件的任意一个，ziplist就会转化为zkiplist编码

注意：这两个条件是可以修改的，在redis.conf中

zset-max-ziplist-entries 128
zset-max-ziplist-value
64

思考：Zset如何做到O(1)复杂度内元素并且快速进行范围操作？

Zset采用skiplist编码时使用zset结构作为底层实现，该数据结构同时包含了一个跳跃表和一个字典，其结构如下：

typedef struct zset{
    zskiplist *zsl;
   dict *dict;
}

Zset中的dict字典为集合创建了一个从成员到分值之间的映射，字典中的键保存了成员，字典中的值保存了成员的分值，这样定位元素时时间复杂度是O(1)

Zset中的zsl跳跃表适合范围操作，比如ZRANK、ZRANGE等，程序使用zkiplist。

另外，虽然zset中使用了dict和skiplist存储数据，但这两种数据结构都会通过指针来共享相同的内存，所以没有必要担心内心的浪费。

总结

总而言之，Redis为了高性能，从各方各面都进行了优化，不只是单线程和内存存储了。