Redis单线程速度快原理

基于内存存储实现

我们都知道内存读写是比在磁盘快很多的，Redis基于内存存储实现的数据库，相对于数据存在磁盘的MySQL数据库，省去磁盘I/O的消耗。

高效的数据结构

数据结构说明：

Redis内部采用了一些精细化的数据结构和算法，例如哈希表、跳跃表、压缩列表等，这些结构和算法能够快速完成常见的查找、插入、删除等操作，从而减少了系统的开销和运行时间。

1）SDS简单动态字符串
字符串长度处理：Redis获取字符串长度，时间复杂度为O(1)，而C语言中，需要从头开始遍历，复杂度为O(N)。
空间预分配：字符串修改越频繁的话，内存分配越频繁，就会消耗性能，而SDS修改和空间扩充，会额外分配未使用的空间，减少性能损耗。
惰性空间释放：SDS缩短时，不是回收多余的内存空间，而是free记录下多余的空间，后续有变更，直接使用free中记录的空间，减少分配。
二进制安全：Redis可以存储一些二进制数据，在C语言中字符串遇到'\0'会结束，而SDS中标志字符串结束的是len属性。

2）字典
Redis作为K-V型内存数据库，所有的键值就是用字典来存储。字典就是哈希表，比如HashMap，通过key就可以直接获取到对应的value。而哈希表的特性，在O(1)时间复杂度就可以获得对应的值。

3）跳跃表
跳跃表是Redis特有的数据结构，就是在链表的基础上，增加多级索引提升查找效率。跳跃表支持平均O(logN),最坏O(N)复杂度的节点查找，还可以通过顺序性操作批量处理节点。

合理的数据编码

Redis支持多种数据数据类型，每种基本类型，可能对多种数据结构。什么时候,使用什么样数据结构，使用什么样编码，是Redis设计者总结优化的结果。
1）String：如果存储数字的话，是用int类型的编码，如果存储非数字，小于等于39字节的字符串，是embstr，大于39个字节，则是raw编码。
2）List：如果列表的元素个数小于512个，列表每个元素的值都小于64字节（默认），使用ziplist编码，否则使用linkedlist编码。
3）Hash：哈希类型元素个数小于512个，所有值小于64字节的话，使用ziplist编码，否则使用hashtable编码。
4）Set：如果集合中的元素都是整数且元素个数小于512个，使用intset编码，否则使用hashtable编码。
5）Zset：当有序集合的元素个数小于128个，每个元素的值小于64字节时，使用ziplist编码，否则使用skiplist（跳跃表）编码。

合理的线程模型

单线程说明：

Redis基于Reactor模式开发了网络事件处理器，这个处理器被称为文件事件处理器（file event handler）。它的组成结构为4部分：多个套接字、IO多路复用程序、文件事件分派器、事件处理器。因为文件事件分派器队列的消费是单线程的，所以Redis才叫单线程模型。Redis是一个内存型键值数据库，单线程的特性对于它的高效和稳定有着关键作用。

下面是Redis单线程速度快的原理：
1）减少了上下文切换
在多线程环境下，线程的切换会需要保存当前线程的上下文信息，并加载目标线程的上下文信息，这会涉及到很多操作，例如寄存器、堆栈、内存页等。这些额外开销会降低系统运行效率。而Redis采用单线程模型，避免了多线程间的切换，从而减少了上下文切换的开销。
2）充分利用CPU缓存
在多线程环境下，CPU缓存会被不同线程频繁地读取和修改，导致缓存频繁失效和更新，影响程序性能。而单线程模型可以充分利用CPU缓存的局部性原理，将数据存储在连续的内存块中，避免了不同线程之间频繁访问同一内存地址的情况，从而提高了系统的运行效率。
3）阻塞式I/O操作
Redis采用阻塞式I/O操作，即当客户端请求发送过来时，Redis会阻塞等待完成请求的处理，不会立即返回结果，从而避免了多线程环境下的锁竞争和上下文切换。同时，Redis还采用多路复用技术，可以在等待请求处理期间同时处理其他请求，提高了系统的运行效率。
4）精细化的数据结构和算法
例如哈希表、跳跃表、压缩列表等

总结：综上所述，Redis单线程速度快的原因主要有：减少了上下文切换、充分利用CPU缓存、采用阻塞式I/O操作和精细化的数据结构和算法。这些特性使得Redis能够在高并发环境下保持高效和稳定，成为一个非常受欢迎的内存型数据库。

IO多路复用说明：
1）多路I/O复用技术可以让单个线程高效的处理多个连接请求，而Redis使用用epoll作为I/O多路复用技术的实现。并且，Redis自身的事件处理模型将epoll中的连接、读写、关闭都转换为事件，不在网络I/O上浪费过多的时间。
2）IO（网络IO）、多路（多个网络连接）、复用（复用同一个线程）
IO多路复用其实就是一种同步IO模型，它实现了一个线程可以监视多个文件句柄；一旦某个文件句柄就绪，就能够通知应用程序进行相应的读写操作；而没有文件句柄就绪时，就会阻塞应用程序，交出cpu。
3）文件事件处理器使用I/O多路复用（multiplexing）程序来同时监听多个套接字，并根据套接字目前执行的任务来为套接字关联不同的事件处理器。当被监听的套接字准备好执行连接应答（accept）、读取（read）、写入（write）、关闭（close）等操作时，与操作相对应的文件事件就会产生，这时文件事件处理器就会调用套接字之前关联好的事件处理器来处理这些事件。虽然文件事件处理器以单线程方式运行，但通过使用I/O多路复用程序来监听多个套接字，文件事件处理器既实现了高性能的网络通信模型，又可以很好地与Redis服务器中其他同样以单线程方式运行的模块进行对接，这保持了Redis内部单线程设计的简单性。

单线程模型说明：
1）Redis是单线程模型的，而单线程避免了CPU不必要的上下文切换和竞争锁的消耗。也正因为是单线程，如果某个命令执行过长（如hgetall命令），会造成阻塞。Redis是面向快速执行场景的数据库，所以要慎用如smembers和lrange、hgetall等命令。
2）Redis 6.0引入了多线程提速，它的执行命令操作内存的仍然是个单线程。

为什么Redis 6.0之后改多线程呢？
1）Redis6.0之前，Redis在处理客户端的请求时，包括读socket、解析、执行、写socket等都由一个顺序串行的主线程处理，这就是所谓的“单线程”。
2）Redis6.0之前为什么一直不使用多线程？使用Redis时，几乎不存在CPU成为瓶颈的情况，Redis主要受限于内存和网络。例如在一个普通的Linux系统上，Redis通过使用pipelining每秒可以处理100万个请求，所以如果应用程序主要使用O(N)或O(log(N))的命令，它几乎不会占用太多CPU。
3）Redis使用多线程并非是完全摒弃单线程，Redis还是使用单线程模型来处理客户端的请求，只是使用多线程来处理数据的读写和协议解析，执行命令还是使用单线程。这样做的目的是因为Redis的性能瓶颈在于网络IO而非CPU，使用多线程能提升IO读写的效率，从而整体提高Redis的性能。

虚拟内存机制

Redis直接自己构建了VM机制，不会像一般的系统会调用系统函数处理，会浪费一定的时间去移动和请求。Redis虚拟内存机制就是暂时把不经常访问的数据（冷数据）从内存交换到磁盘中，从而腾出宝贵的内存空间用于其它需要访问的数据（热数据）。通过VM功能可以实现冷热数据分离，使热数据仍在内存中、冷数据保存到磁盘。这样就可以避免因为内存不足而造成访问速度下降的问题。