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

redis介绍,原理,优缺点

简介


一、Redis 简介


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


我们都知道,使用 Redis 作为缓存是因为它的高性能高并发的优点,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
在这里插入图片描述
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
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