redis 为什么这么快

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

在Linux系统中有五种IO模型：阻塞IO，非阻塞IO，IO复用，信号驱动IO和异步IO。Linux内核使用文件描述符（File Descriptor, FD）来标识一个文件或者其他的IO资源（比如网络套接字），这些IO模型都使用FD来读写文件。

而IO多路复用中的“多路”是指多个网络连接，“复用”是共用同一个线程。它在单个线程中监听多个IO事件的状态变化，一旦IO就绪就进行处理。当多个socket客户端与服务端连接时，Redis的IO多路复用程序将对应的FD注册到队列中，而文件事件派发器监听该队列，它根据不同的事件选择不同的处理器。

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：

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。
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：

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。
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。
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。