Redis为什么那么快？

redis是一款高性能的开源内存数据结构存储系统，被广泛应用于缓存、会话存储、实时分析、消息队列等场景。我们都知道Redis很快，它QPS可达10万（每秒请求数）。Redis为什么这么快呢？

redis有值但是查询偶发返回空的问题_redis

1、内存机制

我们都知道，内存读写是比磁盘读写快很多的。Redis是基于内存存储实现的数据库，相对于数据存在磁盘的数据库，就省去磁盘磁盘I/O的消耗。MySQL等磁盘数据库，需要建立索引来加快查询效率，而Redis数据存放在内存，直接操作内存，所以就很快。

redis有值但是查询偶发返回空的问题_数据库_02


此外，Redis还支持将数据持久化到磁盘，以防止系统故障或重启导致的数据丢失。

2、高效的数据结构

Redis内置了多种高效的数据结构，如字符串、哈希表、列表、集合和有序集合等。这些数据结构都经过优化，能够在时间复杂度为O(1)的情况下完成大部分操作。例如，通过使用哈希表存储数据，Redis能够快速地进行读写操作，而不需要像传统数据库那样进行磁盘的随机访问。

MySQL索引为了提高效率，选择了B+树的数据结构。其实合理的数据结构，就是可以让你的应用/程序更快。先看下Redis的数据结构&内部编码图：

redis有值但是查询偶发返回空的问题_缓存_03

数据结构与数据类型的对应关系如下图所示：

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3、合理的数据编码

Redis支持多种数据基本类型，每种基本类型对应不同的数据结构，每种数据结构对应不一样的编码。为了提高性能，Redis设计者总结出，数据结构最适合的编码搭配。
Redis是使用对象（redisObject）来表示数据库中的键值，当我们在 Redis 中创建一个键值对时，至少创建两个对象，一个对象是用做键值对的键对象，另一个是键值对的值对象。

typedef struct redisObject{
    //类型
   unsigned type:4;
   //编码
   unsigned encoding:4;
   //指向底层数据结构的指针
   void *ptr;
    //...
 }robj;

redisObject中，type 对应的是对象类型，包含String对象、List对象、Hash对象、Set对象、zset对象。encoding 对应的是编码。

String：如果存储数字的话，是用int类型的编码;如果存储非数字，小于等于39字节的字符串，是embstr；大于39个字节，则是raw编码。
List：如果列表的元素个数小于512个，列表每个元素的值都小于64字节（默认），使用ziplist编码，否则使用linkedlist编码
Hash：哈希类型元素个数小于512个，所有值小于64字节的话，使用ziplist编码,否则使用hashtable编码。
Set：如果集合中的元素都是整数且元素个数小于512个，使用intset编码，否则使用hashtable编码。
Zset：当有序集合的元素个数小于128个，每个元素的值小于64字节时，使用ziplist编码，否则使用skiplist（跳跃表）编码

4、合理的线程模型

4.1 单线程模型：避免了上下文切换

Redis是单线程的，其实是指Redis的网络IO和键值对读写是由一个线程来完成的。但Redis的其他功能，比如持久化、异步删除、集群数据同步等等，实际是由额外的线程执行的。
Redis的单线程模型，避免了CPU不必要的上下文切换和竞争锁的消耗。也正因为是单线程，如果某个命令执行过长（如hgetall命令），会造成阻塞。Redis是面向快速执行场景的内存数据库，所以要慎用如lrange和smembers、hgetall等命令。

4.2 I/O 多路复用

什么是I/O多路复用？

  • I/O ：网络 I/O
  • 多路 ：多个网络连接
  • 复用：复用同一个线程。
  • IO多路复用其实就是一种同步IO模型，它实现了一个线程可以监视多个文件句柄；一旦某个文件句柄就绪，就能够通知应用程序进行相应的读写操作；而没有文件句柄就绪时,就会阻塞应用程序，交出cpu。

多路I/O复用技术可以让单个线程高效的处理多个连接请求，而Redis使用用epoll作为I/O多路复用技术的实现。并且Redis自身的事件处理模型将epoll中的连接、读写、关闭都转换为事件，不在网络I/O上浪费过多的时间。

在许多场景下，单线程反而能够更高效地利用CPU资源，提高了系统的整体性能。此外，Redis通过非阻塞I/O和事件驱动机制，能够处理大量并发连接。

总结

综合以上几个因素，Redis在性能方面表现出色，能够处理高并发的读写请求，具备出色的响应速度。

那么Redis到底有多快？具体的性能表现会受到多种因素的影响，如硬件配置、数据集大小、访问模式等。在一些基准测试中，Redis能够每秒处理数十万甚至数百万的操作。它的高性能使得它成为许多应用场景中的首选解决方案。

Redis的内存存储。由于内存的读写速度远高于磁盘，Redis将数据存储在内存中，从而实现了高速的读写操作。同时，Redis还采用了一些内存管理技术来优化内存的使用效率。例如，它使用了对象共享、压缩列表、虚拟内存等技术来减少内存的消耗。此外，Redis还支持数据的持久化到磁盘，以确保数据的安全性和可靠性。通过将内存中的数据写入磁盘，Redis可以在系统重启或故障恢复时重新加载数据，从而实现数据的持久化。

另外，Redis的单线程模型也是其高性能的关键之一。虽然单线程在处理大量请求时可能会有一定的限制，但由于Redis的操作都是非阻塞的，它能够快速地执行各种操作。此外，Redis还使用了事件驱动的机制来处理网络请求，通过I/O多路复用技术实现高效的网络通信。这种网络模型能够同时处理大量的连接请求，保持高性能和低延迟。

此外，Redis内置了许多高效的数据结构，这些数据结构在设计时就考虑了性能和效率。例如，Redis的哈希表和有序集合都能在常数时间内完成插入、删除和查找等操作，这使得Redis非常适合用于计数器、排行榜、发布订阅等场景。此外，Redis还提供了丰富的操作命令和功能，如事务、发布订阅、Lua脚本等，进一步提高了其灵活性和性能。

综上所述，Redis之所以如此快速，是由于多个方面的优化和设计。它的内存存储、单线程模型、高效的数据结构、异步方式的持久化和优秀的网络模型等因素共同作用，使得Redis能够在高并发的环境下提供出色的性能和响应速度。无论是作为缓存、会话存储还是消息队列，Redis都是一个强大而高效的解决方案。