1. redis簡介
Redis是一個開源的，基于內(nèi)存的，高性能的鍵值型數(shù)據(jù)庫。它支持多種數(shù)據(jù)結構，包含五種基本類型 String（字符串）、Hash（哈希）、List（列表）、Set（集合）、Zset（有序集合），和三種特殊類型 Geo（地理位置）、HyperLogLog（基數(shù)統(tǒng)計）、Bitmaps（位圖），可以滿足各種應用場景的需求。
Redis還提供了多種特性，如持久化、事務、發(fā)布訂閱、Lua腳本、管道、主從復制、哨兵機制、集群機制等，可以保證數(shù)據(jù)的安全性、一致性和可用性。
Redis的速度非常快，官方稱其可以達到每秒10萬次的讀寫操作。和其他數(shù)據(jù)庫相比，Redis有著明顯的優(yōu)勢。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)勢使得Redis成為了很多互聯(lián)網(wǎng)公司和開發(fā)者的首選數(shù)據(jù)庫。
那么，Redis為什么這么快呢？主要有以下幾個原因：
- 使用內(nèi)存存儲數(shù)據(jù)，避免了磁盤IO的開銷，提高了數(shù)據(jù)訪問的速度。
- 豐富的對象類型，包含8種對象類型，滿足不同場景的需求。
- 高效的數(shù)據(jù)結構，減少了內(nèi)存占用和計算復雜度，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爭條件，提升CPU利用率。
- 非阻塞IO多路復用機制，充分利用CPU和網(wǎng)絡資源，提高了并發(fā)處理能力。
本文將詳細介紹Redis為什么這么快的原理和機制，并給出一些實際應用和優(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，與傳統(tǒng)的基于磁盤的數(shù)據(jù)庫（例如MySQL）不同，它將所有的數(shù)據(jù)都存儲在內(nèi)存中。
那么，Redis為什么選擇內(nèi)存存儲數(shù)據(jù)呢？主要有以下幾個原因：
- 內(nèi)存的速度遠遠快于磁盤。內(nèi)存讀寫速度可以達到每秒數(shù)百GB，而磁盤讀寫速度通常只有數(shù)十MB，萬倍的差距。
- 內(nèi)存可以支持更多的數(shù)據(jù)結構和操作。常見的數(shù)據(jù)結構如數(shù)組、鏈表、樹、哈希、集合等，常見的操作如排序、查找、過濾、聚合等。內(nèi)存是一個靈活介質(zhì)，滿足各種復雜和高效的功能，不是磁盤操作可比的。
- 內(nèi)存可以支持更高的并發(fā)和擴展性。內(nèi)存是一種分布式和并行的存儲介質(zhì)，它可以支持多個CPU核心同時訪問同一塊內(nèi)存區(qū)域，也可以支持多個服務器之間共享同一塊內(nèi)存區(qū)域。磁盤是一種集中式和串行的存儲介質(zhì)，它只能支持一個CPU核心或一個服務器訪問同一塊磁盤區(qū)域，也不能支持多個服務器之間共享同一塊磁盤區(qū)域。
當然，Redis使用內(nèi)存存儲數(shù)據(jù)也有一些缺點和限制：
- 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，而磁盤目前都是TB起步。所以我們通常只會把少量的、經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中。
- 數(shù)據(jù)類型限制：Redis不支持復雜的數(shù)據(jù)結構，比如用戶對象，通常只能序列化成字符串后再存儲，查詢的時候再把字符串反序列化成用戶對象。
- 數(shù)據(jù)備份問題：在服務器重啟或崩潰時，存儲的內(nèi)存中的數(shù)據(jù)可能會丟失。通常采用持久化技術將數(shù)據(jù)保存到磁盤上，同時定期備份數(shù)據(jù)以防止數(shù)據(jù)丟失。
3. 豐富的對象類型
Redis包含五種基本類型 String（字符串）、Hash（哈希）、List（列表）、Set（集合）、Zset（有序集合），和三種特殊類型 Geo（地理位置）、HyperLogLog（基數(shù)統(tǒng)計）、Bitmaps（位圖），可以滿足各種應用場景的需求。
- String可以用來做緩存、計數(shù)器、限流、分布式鎖、分布式Session等。
- Hash可以用來存儲復雜對象。
- List可以用來做消息隊列、排行榜、計數(shù)器、最近訪問記錄等。
- Set可以用來做標簽系統(tǒng)、好友關系、共同好友、排名系統(tǒng)、訂閱關系等。
- Zset可以用來做排行榜、最近訪問記錄、計數(shù)器、好友關系等。
- Geo可以用來做位置服務、物流配送、電商推薦、游戲地圖等。
- HyperLogLog可以用來做用戶去重、網(wǎng)站UV統(tǒng)計、廣告點擊統(tǒng)計、分布式計算等。
- Bitmaps可以用來做在線用戶數(shù)統(tǒng)計、黑白名單統(tǒng)計、布隆過濾器等。
4. 高效的數(shù)據(jù)結構
Redis有6種數(shù)據(jù)結構sds（簡單動態(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種對象類型底層都是基于這5種數(shù)據(jù)結構實現(xiàn)的，豐富的數(shù)據(jù)結構可以減少內(nèi)存占用和計算復雜度，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CPU來處理所有請求。因此，Redis不需要考慮多線程之間的同步、鎖、競爭等問題，也不需要花費時間和資源在多線程之間的上下文切換上。這使得Redis的設計和實現(xiàn)更簡單，性能和效率更高。
那么，Redis為什么選擇單線程模型呢？主要有以下幾個原因：
- Redis性能瓶頸不在于CPU，而在于內(nèi)存和網(wǎng)絡。因為Redis使用內(nèi)存存儲數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)訪問非常迅速，不會成為性能瓶頸。此外，Redis的數(shù)據(jù)操作大多數(shù)都是簡單的鍵值對操作，不包含復雜計算和邏輯，因而CPU開銷很小。相反，Redis的瓶頸在于內(nèi)存的容量和網(wǎng)絡的帶寬，這些問題無法通過增加CPU核心來解決。
- 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只有一個線程來處理所有的請求，所以不會出現(xiàn)多個線程同時修改同一個數(shù)據(jù)的情況，也不需要使用鎖或事務來保證數(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雜性和難度。例如線程安全、死鎖、內(nèi)存泄漏、競態(tài)條件等，降低了開發(fā)和維護的成本和風險。
6. 多路IO復用模型
Redis使用單線程模型來處理客戶端的請求，但是它能夠利用多路I/O復用技術來實現(xiàn)高并發(fā)和高吞吐量。
那么，什么是多路I/O復用模型？
多路I/O復用模型是指使用一個線程來監(jiān)控多個文件描述符（fd）的讀寫狀態(tài)，當某個fd準備好執(zhí)行讀或?qū)懖僮鲿r，就通知相應的事件處理器來處理。這樣就避免了阻塞式I/O模型中，單個線程只能等待一個fd的問題，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復用技術的實現(xiàn)方式，如select、poll、epoll等。
7. 總結
本文介紹了Redis為什么如此快的原因。
首先，Redis使用內(nèi)存存儲數(shù)據(jù)，避免了磁盤I/O的開銷，提高了數(shù)據(jù)訪問的速度。其次，Redis擁有豐富的對象類型，包含八種類型，滿足不同的需求。此外，Redis采用了高效的數(shù)據(jù)結構，減少了內(nèi)存占用和計算復雜度。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爭條件，提升了CPU利用率。最后，Redis使用非阻塞I/O多路復用機制，充分利用CPU和網(wǎng)絡資源，提高了并發(fā)處理能力。
