【Redis】之 Redis 简介与高性能原理_redis介绍,原理,优缺点

简介

• 一、Redis 简介
  • 1、什么是 Redis
  • 2、为什么使用 Redis 缓存
  • 3、Redis 的优缺点
• 二、Redis 高性能原理
  • 1、基于内存实现
  • 2、高效的数据结构
  • 3、合理的数据编码
  • 4、合适的线程模型
  • 5、总结

一、Redis 简介

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1、什么是 Redis

Redis(Remote Dictionary Server) 是一个使用 C 语言编写的，开源的（BSD许可）高性能非关系型（NoSQL）的键值对数据库。

Redis 可以存储键和五种不同类型的值之间的映射。键的类型只能为字符串，值支持五种数据类型：字符串、列表、集合、散列表、有序集合。

与传统数据库不同的是 Redis 的数据是存在内存中的，所以读写速度非常快，因此 redis 被广泛应用于缓存方向，每秒可以处理超过 10万次读写操作，是已知性能最快的Key-Value DB。另外，Redis 也经常用来做分布式锁。除此之外，Redis 支持事务 、持久化、LUA脚本、LRU驱动事件、多种集群方案。

2、为什么使用 Redis 缓存

高性能：

如用户第一次访问数据库中的某些数据。这个过程会比较慢，因为是从硬盘上读取的。将该用户访问的数据存在数缓存中，这样下一次再访问这些数据的时候就可以直接从缓存中获取了。操作缓存就是直接操作内存，所以速度相当快。如果数据库中的对应数据改变的之后，同步改变缓存中相应的数据即可！

高并发：

直接操作缓存能够承受的请求数量远远大于直接访问数据库，单个 redis 就能达到最大读并发量为11万，最大写并发量为8.1万。所以我们可以考虑把数据库中的部分数据转移到缓存中去，这样用户的一部分请求会直接到缓存这里而不用经过数据库。

3、Redis 的优缺点

优点：

• 读写性能优异， Redis能读的速度是110000次/s，写的速度是81000次/s。
• 支持数据持久化，支持AOF和RDB两种持久化方式。
• 支持事务，Redis的所有操作都是原子性的，同时Redis还支持对几个操作合并后的原子性执行。
• 数据结构丰富，除了支持string类型的value外还支持hash、set、zset、list等数据结构。
• 支持主从复制，主机会自动将数据同步到从机，可以进行读写分离。

缺点：

• 数据库容量受到物理内存的限制，不能用作海量数据的高性能读写，因此Redis适合的场景主要局限在较小数据量的高性能操作和运算上。
• Redis 不具备自动容错和恢复功能，主机从机的宕机都会导致前端部分读写请求失败，需要等待机器重启或者手动切换前端的IP才能恢复。
• 主机宕机，宕机前有部分数据未能及时同步到从机，切换IP后还会引入数据不一致的问题，降低了系统的可用性。
• Redis 较难支持在线扩容，在集群容量达到上限时在线扩容会变得很复杂。为避免这一问题，运维人员在系统上线时必须确保有足够的空间，这对资源造成了很大的浪费。

二、Redis 高性能原理

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我们都知道，使用 Redis 作为缓存是因为它的高性能和高并发的优点，但为什么 Redis 能做到如此地快呢？下面就讲解一下 Redis 快的原理。

1、基于内存实现

Redis 是基于内存的数据库，绝大部分请求是纯粹的内存操作，非常快速。对比磁盘受限于 IO 性能瓶颈，Redis 基于内存操作可以有效地避免了磁盘 I/O 所带来的限制。

2、高效的数据结构

Redis 中有多种数据类型，每种数据类型的底层都由一种或多种数据结构来支持。正是因为有了这些数据结构，Redis 在存储与读取上的速度才不受阻碍：

2-1、简单动态字符串

简单动态字符串，即 SDS，是用来处理处理字符串的。动态字符串是 Redis 的 String 数据类型的底层实现原理。了解 C 语言的都知道，它是用于处理字符串的方法，而恰巧 Redis 就是 C 语言实现的。使用动态字符串有以下几种好处：

1）快速处理字符串长度

字符串在 C 语言中是以数字的形式存储的，想要获取字符串的长度，需要从头开始遍历，直到遇到 '\0' 空字符为止。

而在 Redis 中则用一个 len 字段记录当前字符串的长度。想要获取长度只需要获取 len 字段即可，降低了时间复杂度，提升了速度。

2）内存重新分配

C 语言中涉及到修改字符串的时候会重新分配内存。修改地越频繁，内存分配也就越频繁。而内存分配是会消耗性能的，那么性能下降在所难免。

而 Redis 中也会涉及到字符串频繁的修改操作，但仍然使用这种内存分配的方式显然就不适合了。于是 SDS 实现了两种优化策略：

• 空间预分配： 对 SDS 修改及空间扩充时，除了分配所必须的空间外，还会额外分配未使用的空间。具体分配规则是这样的：SDS 修改后，len 长度小于 1M，那么将会额外分配与 len 相同长度的未使用空间。如果修改后长度大于 1M，那么将分配1M的使用空间。
• 惰性空间释放： 当然，有空间分配对应的就有空间释放。SDS 缩短时，并不会回收多余的内存空间，而是使用 free 字段将多出来的空间记录下来。如果后续有变更操作，直接使用 free 中记录的空间，减少了内存的分配。

3）二进制安全

你已经知道了 Redis 可以存储各种数据类型，那么二进制数据肯定也不例外。但二进制数据并不是规则的字符串格式，可能会包含一些特殊的字符，比如 '\0' 等。

前面我们提到过，C 中字符串遇到 '\0' 会结束，那 '\0' 之后的数据就读取不上了。但在 SDS 中，是根据 len 长度来判断字符串结束的。这样二进制安全的问题就解决了。

2-2、双端链表

列表 List 更多是被当作队列或栈来使用的。队列和栈的特性一个先进先出，一个先进后出。而双端链表很好的支持了这些特性：

1）数据节点
链表里每个节点都带有两个指针，prev 指向前节点，next 指向后节点。这样在时间复杂度为 O(1) 内就能获取到前后节点。

2）头尾节点

头节点里有 head 和 tail 两个参数，分别指向头节点和尾节点。这样的设计能够对双端节点的处理时间复杂度降至 O(1) ，对于队列和栈来说再适合不过。同时链表迭代时从两端都可以进行。

3）链表长度

头节点里同时还有一个参数 len，和上边提到的 SDS 里类似，这里是用来记录链表长度的。因此获取链表长度时不用再遍历整个链表，直接拿到 len 值就可以了，这个时间复杂度是 O(1)。

我们可以看到，这些特性都降低了 List 在使用时的时间开销。

2-3、压缩列表

双端链表存在一个问题：如果在一个链表节点中存储一个小数据，比如一个字节。那么对应的就要保存头节点，前后指针等额外的数据。这样就浪费了空间，同时由于反复申请与释放也容易导致内存碎片化。这样内存的使用效率就太低了。

所以，为了解决这个问题，Redis 设计了压缩列表：

压缩列表是经过特殊编码，专门为了提升内存使用效率设计的。所有的操作都是通过指针与解码出来的偏移量进行的。并且压缩列表的内存是连续分配的，遍历的速度很快。

2-4、字典

Redis 作为 K-V 型数据库，所有的键值都是用字典来存储的。

日常学习中使用的字典你应该不会陌生，想查找某个词通过某个字就可以直接定位到，速度非常快。这里所说的字典原理上是一样的，通过某个 key 可以直接获取到对应的value。

字典又称为哈希表。哈希表的特性大家都很清楚，能够在 O(1) 时间复杂度内取出和插入关联的值。

2-5、跳跃表

作为 Redis 中特有的数据结构：跳跃表，其在链表的基础上增加了多级索引来提升查找效率。

下面跳跃表的简单原理图，每一层都有一条有序的链表，最底层的链表包含了所有的元素。这样跳跃表就可以支持在 O(logN) 的时间复杂度里查找到对应的节点。

下图是跳表真实的存储结构，和其它数据结构一样，都在头节点里记录了相应的信息，减少了一些不必要的系统开销：

3、合理的数据编码

对于每一种数据类型来说，底层的支持可能是多种数据结构，什么时候使用哪种数据结构，这就涉及到了编码转化的问题。

Redis 数据类型的编码转化规则为：

• String：存储数字的话，采用int类型的编码，如果是非数字的话，采用 raw 编码；
• List：字符串长度及元素个数小于一定范围使用 ziplist 编码，任意条件不满足，则转化为 linkedlist 编码；
• Hash：hash 对象保存的键值对内的键和值字符串长度小于一定值及键值对；
• Set：保存元素为整数及元素个数小于一定范围使用 intset 编码，任意条件不满足，则使用 hashtable 编码；
• Zset：zset 对象中保存的元素个数小于及成员长度小于一定值使用 ziplist 编码，任意条件不满足，则使用 skiplist 编码。

4、合适的线程模型

Redis 快的原因还有一个是因为使用了合适的线程模型：

4-1、I/O多路复用模型

• I/O ：网络 I/O
• 多路：多个 TCP 连接
• 复用：共用一个线程或进程

生产环境中的使用，通常是多个客户端连接 Redis，然后各自发送命令至 Redis 服务器，最后服务端处理这些请求返回结果。

应对大量的请求，Redis 中使用 I/O 多路复用程序同时监听多个套接字，并将这些事件推送到一个队列里，然后逐个被执行。最终将结果返回给客户端。

4-2、单线程模型

我们知道多线程在执行过程中需要进行 CPU 的上下文切换，这个操作比较耗时。而 Redis 是单线程的，这样就避免了上下文切换带来的资源消耗。并且 Redis 又是基于内存实现的，对于内存来说，没有上下文切换效率就是最高的。

那么，Redis 为什么是单线程的呢？因为 Redis 中使用了 Reactor 单线程模型：

Reactor 接收到用户的请求后，会全部推送到一个队列里，然后交给文件事件分派器，这是单线程的工作方式。而 Redis 又是基于它来工作的，所以说 Redis 是单线程的。

5、总结

基于内存实现

• 数据都存储在内存里，减少了一些不必要的 I/O 操作，操作速率很快。

高效的数据结构

• 底层多种数据结构支持不同的数据类型，支持 Redis 存储不同的数据；
• 不同数据结构的设计，使得数据存储时间复杂度降到最低。

合理的数据编码

• 根据字符串的长度及元素的个数适配不同的编码格式。

合适的线程模型

• I/O 多路复用模型同时监听客户端连接；
• 单线程在执行过程中不需要进行上下文切换，减少了耗时