Redis为什么快 - 实践

Redis 之所以能达到极高的性能（单机 QPS 可达 10 万级），是多种技术设计和优化策略共同作用的结果，核心许可归结为内存存储、高效数据结构、单线程模型、IO 多路复用等关键特性。以下从底层原理到实现细节详细解析：

一、基于内存存储，避免磁盘 IO 瓶颈

Redis 的所有数据都存储在内存中，这是其高性能的最根本原因：

• 内存 vs 磁盘：内存的读写速度（微秒级）远高于磁盘（毫秒级），两者差距可达 10 万倍以上。传统数据库（如 MySQL）需要频繁读写磁盘，而 Redis 直接执行内存，天然规避了磁盘 IO 的性能瓶颈。
• 材料持久化不影响读写：虽然 Redis 支持 RDB 和 AOF 持久化（将数据写入磁盘），但这些操作通过后台子进程（如 BGSAVE、BGREWRITEAOF）执行，主进程仍专注于处理内存中的请求，不会阻塞正常读写。

二、高效的数据结构设计

Redis 为每种数据类型设计了专门的底层数据结构，在时间复杂度和空间效率上做了极致优化：

1. String（字符串）：

   • 底层使用 SDS（Simple Dynamic String）而非 C 语言原生字符串，支持动态扩容，避免字符串修改时的内存重分配开销，同时记录长度信息，获取长度的操作是 O (1)。

2. List（列表）：

   • 底层是 双向链表 + 压缩列表（ziplist）的混合结构：当元素数量少且体积小时用 ziplist（连续内存存储，减少指针开销），元素增多后自动转为双向链表，兼顾读写效率。

3. Hash（哈希）：

   • 底层是 压缩列表 + 哈希表：小规模数据用 ziplist（键值对连续存储），数据量大时转为哈希表，保证查询、插入的 O (1) 复杂度。

4. Set（集合）：

   • 底层是 哈希表（元素作为键，值为 null）或整数集合（intset）：当元素全为整数且数量少时用 intset（紧凑数组存储），否则用哈希表，确保 O (1) 的增删查效率。

5. Sorted Set（有序集合）：

   • 底层是 压缩列表 + 跳表（skiplist）：小规模数据用 ziplist，大规模数据用跳表（配合哈希表），跳表支持 O (logN) 的范围查询和插入，比平衡树达成更简单高效。

这些结构的设计原则是：用更方便的结构处理小规模数据，用更通用的结构处理大规模信息，在内存占用和执行效率间取得平衡。

三、单线程模型，避免线程切换和锁开销

Redis 采用单线程模型处理客户端请求（核心网络 IO 和数据执行由一个线程完成），这看似 “反常识” 的设计恰恰提升了性能：

• 无线程切换开销：多线程模型中，线程切换（上下文切换）要求保存和恢复寄存器、栈等状态，频繁切换会消耗大量 CPU 资源。单线程避免了这一疑问，所有操作在一个线程内串行执行，CPU 利用率更高。
• 无锁竞争：多线程执行共享内容时，得加锁（如互斥锁）保证线程安全，锁的获取和释放会带来额外开销。单线程模型下，材料访问天然线程安全，无需锁机制，减少了性能损耗。

注意：Redis 的 “单线程” 指的是处理网络请求和数据命令的核心线程，而持久化（BGSAVE）、异步删除（UNLINK）等操作由额外的后台线程执行，不影响主线程。

四、IO 多路复用，高效处理并发连接

Redis 作为服务器需要同时处理大量客户端连接（可能上万），单线程如何应对高并发？关键在于IO 多路复用（I/O Multiplexing） 技术：

• 传统阻塞 IO 难题：若每个连接用一个线程处理，线程数会随连接数暴增，资源耗尽；若单线程逐个处理，某连接阻塞会导致其他连接等待。
• IO 多路复用原理：Redis 利用操作系统提供的 select、poll 或 epoll（Linux 下首选）机制，让单线程同时监听多个套接字（socket），通过事件驱动的方式，只处理有数据就绪的连接（如可读、可写），避免了无效的等待。
  • 例如，当客户端发送请求时，Redis 会将该连接标记为 “可读”，主线程处理完后再标记为 “可写” 返回结果，期间不阻塞其他连接。
• 高效事件循环：Redis 的事件循环（aeEventLoop）不断轮询就绪事件，按优先级处理（先处理读事件，再处理写事件），确保每一步操作都不浪费 CPU 时间。

五、其他优化策略

1. 精简的代码实现：

   • Redis 代码量小（核心逻辑约 2 万行），无复杂的功能模块，执行效率高。
   • 避免了不必要的抽象和封装，底层处理直接与系统交互（如内存分配、网络调用）。

2. 合理的内存分配：

   • 通过 内存池（zmalloc） 管理内存，减少频繁调用系统函数（如 malloc、free）的开销，同时减少内存碎片。

3. 批量操作与管道（Pipeline）：

   • 支持批量命令（如 MSET、MGET）和管道机制，允许客户端一次性发送多个命令，减少网络往返次数（网络延迟可能成为瓶颈）。

4. 网络优化：

   • 采用 TCP _NODELAY选项禁用 Nagle 算法，减少小数据包的延迟（避免等待合并）。
   • 对数据进行压缩（如 ziplist 对小数据的紧凑存储），减少网络传输量。

总结：Redis 快的核心原因

1. 内存存储：规避磁盘 IO 瓶颈，读写速度极快。
2. 高效数据结构：针对不同场景优化底层实现，保证运行的低时间复杂度。
3. 单线程模型：避免线程切换和锁竞争，提升 CPU 利用率。
4. IO 多路复用：单线程高效处理数万并发连接，不阻塞等待。
5. 细节优化：内存池、批量操作、网络调优等进一步降低开销。

这些设计使 Redis 在兼顾功能丰富性的同时，保持了极致的性能，成为高性能缓存和中间件的首选。