1. redis簡(jiǎn)介
Redis是一個(gè)開(kāi)源的，基于內(nèi)存的，高性能的鍵值型數(shù)據(jù)庫(kù)。它支持多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含五種基本類(lèi)型 String（字符串）、Hash（哈希）、List（列表）、Set（集合）、Zset（有序集合），和三種特殊類(lèi)型 Geo（地理位置）、HyperLogLog（基數(shù)統(tǒng)計(jì)）、Bitmaps（位圖），可以滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
Redis還提供了多種特性，如持久化、事務(wù)、發(fā)布訂閱、Lua腳本、管道、主從復(fù)制、哨兵機(jī)制、集群機(jī)制等，可以保證數(shù)據(jù)的安全性、一致性和可用性。
Redis的速度非?？?，官方稱(chēng)其可以達(dá)到每秒10萬(wàn)次的讀寫(xiě)操作。和其他數(shù)據(jù)庫(kù)相比，Redis有著明顯的優(yōu)勢(shì)。例如，和MySQL相比，Redis的速度大約快了100倍；和MongoDB相比，Redis的速度大約快了10倍。這些優(yōu)勢(shì)使得Redis成為了很多互聯(lián)網(wǎng)公司和開(kāi)發(fā)者的首選數(shù)據(jù)庫(kù)。
那么，Redis為什么這么快呢？主要有以下幾個(gè)原因：
- 使用內(nèi)存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，避免了磁盤(pán)IO的開(kāi)銷(xiāo)，提高了數(shù)據(jù)訪問(wèn)的速度。
- 豐富的對(duì)象類(lèi)型，包含8種對(duì)象類(lèi)型，滿足不同場(chǎng)景的需求。
- 高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，減少了內(nèi)存占用和計(jì)算復(fù)雜度，提高了數(shù)據(jù)操作的效率。
- 單線程模型，避免了多線程之間的上下文切換和競(jìng)爭(zhēng)條件，提升CPU利用率。
- 非阻塞IO多路復(fù)用機(jī)制，充分利用CPU和網(wǎng)絡(luò)資源，提高了并發(fā)處理能力。
本文將詳細(xì)介紹Redis為什么這么快的原理和機(jī)制，并給出一些實(shí)際應(yīng)用和優(yōu)化建議。
2. 內(nèi)存操作
Redis是一種基于內(nèi)存的數(shù)據(jù)庫(kù)，與傳統(tǒng)的基于磁盤(pán)的數(shù)據(jù)庫(kù)（例如MySQL）不同，它將所有的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在內(nèi)存中。
那么，Redis為什么選擇內(nèi)存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)呢？主要有以下幾個(gè)原因：
- 內(nèi)存的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于磁盤(pán)。內(nèi)存讀寫(xiě)速度可以達(dá)到每秒數(shù)百GB，而磁盤(pán)讀寫(xiě)速度通常只有數(shù)十MB，萬(wàn)倍的差距。
- 內(nèi)存可以支持更多的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作。常見(jiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如數(shù)組、鏈表、樹(shù)、哈希、集合等，常見(jiàn)的操作如排序、查找、過(guò)濾、聚合等。內(nèi)存是一個(gè)靈活介質(zhì)，滿足各種復(fù)雜和高效的功能，不是磁盤(pán)操作可比的。
- 內(nèi)存可以支持更高的并發(fā)和擴(kuò)展性。內(nèi)存是一種分布式和并行的存儲(chǔ)介質(zhì)，它可以支持多個(gè)CPU核心同時(shí)訪問(wèn)同一塊內(nèi)存區(qū)域，也可以支持多個(gè)服務(wù)器之間共享同一塊內(nèi)存區(qū)域。磁盤(pán)是一種集中式和串行的存儲(chǔ)介質(zhì)，它只能支持一個(gè)CPU核心或一個(gè)服務(wù)器訪問(wèn)同一塊磁盤(pán)區(qū)域，也不能支持多個(gè)服務(wù)器之間共享同一塊磁盤(pán)區(qū)域。
當(dāng)然，Redis使用內(nèi)存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)也有一些缺點(diǎn)和限制：
- 內(nèi)存限制：內(nèi)存是非常昂貴的，容量通常只有幾十GB或幾百GB，而磁盤(pán)目前都是TB起步。所以我們通常只會(huì)把少量的、經(jīng)常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中。
- 數(shù)據(jù)類(lèi)型限制：Redis不支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比如用戶對(duì)象，通常只能序列化成字符串后再存儲(chǔ)，查詢(xún)的時(shí)候再把字符串反序列化成用戶對(duì)象。
- 數(shù)據(jù)備份問(wèn)題：在服務(wù)器重啟或崩潰時(shí)，存儲(chǔ)的內(nèi)存中的數(shù)據(jù)可能會(huì)丟失。通常采用持久化技術(shù)將數(shù)據(jù)保存到磁盤(pán)上，同時(shí)定期備份數(shù)據(jù)以防止數(shù)據(jù)丟失。
3. 豐富的對(duì)象類(lèi)型
Redis包含五種基本類(lèi)型 String（字符串）、Hash（哈希）、List（列表）、Set（集合）、Zset（有序集合），和三種特殊類(lèi)型 Geo（地理位置）、HyperLogLog（基數(shù)統(tǒng)計(jì)）、Bitmaps（位圖），可以滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
- String可以用來(lái)做緩存、計(jì)數(shù)器、限流、分布式鎖、分布式Session等。
- Hash可以用來(lái)存儲(chǔ)復(fù)雜對(duì)象。
- List可以用來(lái)做消息隊(duì)列、排行榜、計(jì)數(shù)器、最近訪問(wèn)記錄等。
- Set可以用來(lái)做標(biāo)簽系統(tǒng)、好友關(guān)系、共同好友、排名系統(tǒng)、訂閱關(guān)系等。
- Zset可以用來(lái)做排行榜、最近訪問(wèn)記錄、計(jì)數(shù)器、好友關(guān)系等。
- Geo可以用來(lái)做位置服務(wù)、物流配送、電商推薦、游戲地圖等。
- HyperLogLog可以用來(lái)做用戶去重、網(wǎng)站UV統(tǒng)計(jì)、廣告點(diǎn)擊統(tǒng)計(jì)、分布式計(jì)算等。
- Bitmaps可以用來(lái)做在線用戶數(shù)統(tǒng)計(jì)、黑白名單統(tǒng)計(jì)、布隆過(guò)濾器等。
4. 高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
Redis有6種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)sds（簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)字符串）、ziplist（壓縮列表）、linkedlist（鏈表）、intset（整數(shù)集合）、hashtable（字典）、skiplist（跳躍表）。
Redis的8種對(duì)象類(lèi)型底層都是基于這5種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，豐富的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以減少內(nèi)存占用和計(jì)算復(fù)雜度，提高數(shù)據(jù)操作的效率。
5. 單線程模型
Redis使用單線程模型，這意味著它只使用一個(gè)CPU來(lái)處理所有請(qǐng)求。因此，Redis不需要考慮多線程之間的同步、鎖、競(jìng)爭(zhēng)等問(wèn)題，也不需要花費(fèi)時(shí)間和資源在多線程之間的上下文切換上。這使得Redis的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單，性能和效率更高。
那么，Redis為什么選擇單線程模型呢？主要有以下幾個(gè)原因：
- Redis性能瓶頸不在于CPU，而在于內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)镽edis使用內(nèi)存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)訪問(wèn)非常迅速，不會(huì)成為性能瓶頸。此外，Redis的數(shù)據(jù)操作大多數(shù)都是簡(jiǎn)單的鍵值對(duì)操作，不包含復(fù)雜計(jì)算和邏輯，因而CPU開(kāi)銷(xiāo)很小。相反，Redis的瓶頸在于內(nèi)存的容量和網(wǎng)絡(luò)的帶寬，這些問(wèn)題無(wú)法通過(guò)增加CPU核心來(lái)解決。
- Redis的單線程模型可以保證數(shù)據(jù)的一致性和原子性。由于Redis只有一個(gè)線程來(lái)處理所有的請(qǐng)求，所以不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)線程同時(shí)修改同一個(gè)數(shù)據(jù)的情況，也不需要使用鎖或事務(wù)來(lái)保證數(shù)據(jù)的一致性和原子性。
- Redis的單線程模型可以避免多線程編程的復(fù)雜性和難度。例如線程安全、死鎖、內(nèi)存泄漏、競(jìng)態(tài)條件等，降低了開(kāi)發(fā)和維護(hù)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。
6. 多路IO復(fù)用模型
Redis使用單線程模型來(lái)處理客戶端的請(qǐng)求，但是它能夠利用多路I/O復(fù)用技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高并發(fā)和高吞吐量。
那么，什么是多路I/O復(fù)用模型？
多路I/O復(fù)用模型是指使用一個(gè)線程來(lái)監(jiān)控多個(gè)文件描述符（fd）的讀寫(xiě)狀態(tài)，當(dāng)某個(gè)fd準(zhǔn)備好執(zhí)行讀或?qū)懖僮鲿r(shí)，就通知相應(yīng)的事件處理器來(lái)處理。這樣就避免了阻塞式I/O模型中，單個(gè)線程只能等待一個(gè)fd的問(wèn)題，提高了I/O效率和利用率。
例如linux系統(tǒng)中提供了多種多路I/O復(fù)用技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式，如select、poll、epoll等。
7. 總結(jié)
本文介紹了Redis為什么如此快的原因。
首先，Redis使用內(nèi)存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，避免了磁盤(pán)I/O的開(kāi)銷(xiāo)，提高了數(shù)據(jù)訪問(wèn)的速度。其次，Redis擁有豐富的對(duì)象類(lèi)型，包含八種類(lèi)型，滿足不同的需求。此外，Redis采用了高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，減少了內(nèi)存占用和計(jì)算復(fù)雜度。Redis還使用單線程模型，避免了多線程之間的上下文切換和競(jìng)爭(zhēng)條件，提升了CPU利用率。最后，Redis使用非阻塞I/O多路復(fù)用機(jī)制，充分利用CPU和網(wǎng)絡(luò)資源，提高了并發(fā)處理能力。
